反应抑制与反应切换的神经相关

发布时间：2019-10-16 08:12

【摘要】：研究背景和目的反应抑制是指抑制不符合目标或情境的不适当行为的能力,可以保证在变化环境中做出灵活的反应,属于执行功能的核心成分。停止信号任务(stop-signal task, SST)是考查反应抑制的经典范式,要求被试在停止信号随机呈现时,尽可能终止由先前呈现的反应信号启动的行为。根据独立作用赛马模型可导出停止信号反应时(stop-signal reaction time, SSRT), SSRT愈短,反应控制能力愈强。许多脑病,如注意缺陷多动障碍、强迫症等患者在SST中表现出抑制能力下降,即冲动性。然而,生活中我们不仅仅需要反应的停止,而且需要反应的调整和更新。反应停止和反应更新都包含有行为抑制的成分,但这两者中抑制成分的神经机制是否一致,目前仍存在争议。许多侧重反应抑制的研究,包括脑损伤、动物、经颅磁刺激、功能影像学技术等,均报告了以右半球为主的反应抑制网络(response inhibition network,RIN)的存在,主要包括右额下回、前辅助运动区、顶下小叶、岛叶以及皮层下结构如丘脑底核、壳核、尾状核等。SST实验中观察到任务相关及无关的肢体(肌电)活动同时均受到抑制的整体性抑制现象。选择性抑制既可通过停止某类反应同时保持其他类反应,或者停止某类已启动反应却启动执行另一类反应来实现。后者通常是指在SST中引入切换信号的切换信号范式,基于独立赛马模型亦可导出相应的切换信号反应时(change-signal reaction time, CSRT)。功能磁共振研究结果提示右额下回既参与stop抑制也参与change抑制,从而认为两者神经机制相似；但有事件相关电位(event-related potentials, ERP)研究却在change抑制中未能观察到对侧准备电位和抑制相关N2成分而得出两者机制不同。因此,ERP这类高时间分辨率技术有利于澄清RIN是否异步或同步参与不同行为情景(stop抑制和change抑制)的反应抑制过程。对比考察stop抑制和change抑制的调控机制同样有助于澄清两者神经机制的异同。根据行为反应信息来源于外部环境或内部记忆可区分为被动型控制和主动型控制。磁共振研究提示在SST初始阶段提供有效线索,RIN可在由线索启动的主动准备过程中预激活,却在后续的抑制过程中减弱,伴随着go反应时减慢与SSRT缩短。提升stop信号呈现概率的ERP研究也观察到源自额区的N2/P3波幅下降。然而,change抑制的主动调控神经相关机制的研究仍然缺乏。本研究利用ERP时空模式的高时间分辨率和一定的空间分辨率进一步澄清抑制相关神经网络在stop抑制和change抑制及其主动调控情况下的神经加工机制。基于独立作用赛马模型,反应抑制过程可由抑制成功组与正确按键组的对比差异中得出。ERP时空模式是将空间插值技术运用于多通道ERP波幅、功率及其统计量(如F值、t值或P值)等一阶特征而生成的、按时间顺序排列的脑电活动空间模式(地形图),可用于统计推断。一个功能神经网络既可基于脑区之间某些功能连接性指标亦可基于同时超出显著性阈值的多个脑区的功能指标来定义；而基于空间模式的相似性,则可将认知过程分解为不同阶段来观察stop抑制和change抑制是否异步分时地调用同一个抑制网络。对象和方法20名本科生或硕士生(女生12名)自愿参与本实验,年龄23～26(25±1)岁,均为右利手,身体健康。均知情同意参加实验并领取一定报酬。Go刺激是由三个箭头组成,其中间箭头始终以灰色呈现。两侧箭头分别用四种不同颜色作为随后Signal类型出现的线索,绿色、红色和蓝色分别预示将高概率(67%)呈现继续(go)、停止(stop)和切换(chang e)反应信号,称为“有线索”；灰色预示将低概率(33%)呈现以上三类信号,称为“无线索”。Signal分为四种情形：红色X字符为停止反应,蓝色箭头为切换反应,绿色箭头或黑屏均指示继续Go反应,黑屏作为试图减少被试有意延迟反应的控制条件。Go刺激和Signal呈现时间分别为150 ms和300 ms,两者的相隔时间(stimulus onset asynchrony, SOA)为175 ms、200 ms或225 ms,分别占11.5%、77%、11.5%。两组试次的间隔时间为1300 ms、1400 ms或1500 ms。实验任务要求被试完成线索化停止-切换信号范式,对Go刺激的中间灰色箭头尽快尽准地启动辨别反应,当Signal出现时,被试需依据Signal类型重新调整已启动并进行中的按键反应(停止或切换或继续)。所有类型试次伪随机出现,但相同试次连续出现不超过3次。实验分20个阶段,各阶段呈现120组试次,各阶段间安排30s闭眼休息。实验前安排10min练习,正式实验耗时65 min。脑电(Electroencephalogram, EEG)记录采用本实验室开发的、基于北京新拓公司的19通道脑电放大器的ERP系统。记录电极采用国际10-20标准导联系统：Fpl, Fp2, F3, F4, C3, C4, P3, P4,01,02, F7, F8, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz, Pz,连接双侧耳垂为参考,接地电极置于前额正中。滤波通频带为[0.5,100]Hz,头皮与电极间阻抗10 kΩ。EEG片段时间窗取为Go刺激出现前-100 ms(基线)至呈现后1000 ms。自动拒绝伪差阈值设为70μV,并进一步目测手工排除眼动和肌电。统计分析只纳入SOA为200 ms的正确试次,分类叠加各类EEG片段获得ER.P。为便于与以往研究对比,本实验将Signal出现时刻定义为零时刻点。抑制反应时SSRT和CSRT由“整合法”计算得到。行为数据抑制正确率和抑制反应时应用SPSS16.0软件行2(反应类型：stop, change)×2(线索类型：有线索,无线索)重复测量方差分析,逐对比较运用配对t检验。ERP数据利用系统统计软件对多通道ERP数据进行2(反应类型：stop, change)x2(线索类型：有线索,无线索),2(反应类型：stop, go) ×2(线索类型：有线索,无线索)和2(反应类型：change, go) ×2(线索类型：有线索,无线索)两因素重复测量方差分析,逐对比较采用配对t检验。19通道ERP对应的F值或t值经插值获得统计参数映像(statistical parametric mapping, SPM)。显著阈值a=0.05。结果行为绩效抑制正确率的反应类型和线索类型的交互作用显著：F(1,19)=51.45,P0.01。一方面,change抑制任务情况下,有线索条件下的抑制正确率比无线索条件下的抑制正确率低(12.6%,t(19)=4.82,P0.01)；但在stop抑制任务条件下两组抑制正确率之间无显著差异(4.1%,t(19)=1.53,P=0.14)。另一方面,在有线索情况下,stop抑制正确率比change抑制正确率高(10.3%,t(19)=6.00,P0.01)；但在无线索情况下两组之间无显著差异(1.8%,t(19)=1.45,P=0.16)。抑制反应时的反应类型和线索类型的交互作用显著：F(1,19)=34.97, P0.01。有线索条件下的SSRT比无线索条件下的SSRT更快(40.8 ms,t(19)=7.38, P0.01);有线索条件下的CSRT也比无线索条件下的CSRT更快(22.6 ms,t(19)=4.52,P0.01)。此外,有线索情况下的SSRT显著快于CSRT (22.6 ms, t(19)=6.49,P0.01),但在无线索情况下两者之间差异不显著(4.4 ms, t(19)=1.52,P=0.15)。ERP统计参数映像时空模式首先,与行为绩效抑制反应时对应,stop抑制和change抑制直接比较的反应类型主效应活化脑区在时间段250-350 ms分布的差异最大,包括右前额区(F4/Fp2)和双顶区(C3/C4/P3/P4/Cz/Pz),而在其余的时间段100-250 ms和350-500 ms有显著差异的脑区甚少。其中,stop抑制主要激活右前额区(F4/Fz),而change抑制主要激活双侧额顶区(F4/C3/C4/P3/P4/Fz/Cz/Pz)。此外,stop抑制和change抑制在反应前阶段依次共同激活背内侧额区(Fz/Cz/Pz; 100-200 ms)和右颞顶区(P4/T6/Pz；200-250 ms)。在反应后阶段依次共同激活右颞顶区(350-400 ms)和右前额区(450-500 ms)。进一步配对t检验分析显示,无论有或无线索条件下,stop和change抑制的差异主要在250-350 ms的双顶区(P3/P4)。其次,线索类型主效应差异主要在于双额区(F3/F4/C3/C4/Fz; 100-200 ms)和额后顶区(C3/C4/P3/P4/Pz; 200-300 ms)。最后,反应类型(stop vs. change)和线索类型(有vs.无)的交互效应在100-500 ms几乎不存在显著脑区。结论本研究通过应用线索化停止-切换信号任务和ERP时空模式分析,揭示了行为反应抑制现象下的神经机制。首先,stop抑制和change抑制共同涉及rMFG和preSMA/SMA构成的反应抑制网络(RIN), change抑制还涉及双额顶区的DAN实现反应重启。主动准备对stop和change的神经机制的调控作用类似,涉及双侧前额区组成的中央执行网络(CEN)。上述结果表明change抑制依赖于gol+stop+go2过程,go2过程无法直接取代go1过程,且stop过程和go2过程是并行加工。其次,反应抑制过程是数个神经网络,包括背内侧额区的突出性网络SN、右颞顶区的腹侧注意网络(VAN)、前额区的RIN和双侧额顶区的背侧注意网络(DAN)等的相互配合及协同运作,它们的动态演化组成不同的过程和阶段。第三,本研究提示主动准备策略涉及执行功能神经网络激活；而部分执行功能神经网络(RIN/VAN)具有领域通用性和过程通用性。总之,本研究采用的ERP时空模式分析方法为反应抑制神经机制提供了新视角。
【图文】：

反应抑制,实验范式,停止信号

１．２反应抑制实验范式逡逑考察反应抑制的常用范式包括：停止信号任务（ｓｔｏｐ－ｓｉｇｎａｌ枯ｓｋ，ＳＳＴ）、逡逑ｇｏ－ｎｏｇｏ任务、反向眼跳任务等（如图１－１所示）Ｗ。逡逑ＳＳＴ首先呈现ｇｏ刺激，要求被试对ｇｏ刺激尽快尽准地做出反应；在ｇｏ铜逡逑激出现一段时间（ｓｔｏｐ－ｓｉｇｎａｌ邋ｄｅｌａｙ，邋ＳＳＤ）后，随机呈现一个ｓｔｏｐ信号，要求被逡逑试尽可能抑制先前己启动并正在进行中的ｇｏ反应。一般来说，ＳＳＤ越小抑制成逡逑功率越高，反之亦然。Ｌｏｇａｎ和Ｃｏｗａｎ提出独立赛马模型来解释反应抑制的也逡逑理加工机制，认为ｇｏ与ｓｔｏｐ信号的加工过程相互独立和竞争，加工程度首先达逡逑到反应阀限的胜者决定最终反应结果ｔｎｉ邋（图１－２）。然而，赛马模型只是一个描逡逑述行为结果的理论模型，缺乏神经过程的描述，根据该模型可导出停止信号反逡逑应时（ｓｔｏｐ－ｓｉｇｎａｌｒｅａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ

范式,线索,实验流程,信号

实验在光线柔和、安静的实验室中完成。被试Ｗ舒适的体位坐于椅中，双手持逡逑游戏手柄，目视正前方约Ｉｍ处的电脑显示屏，完成一个线索化停止－切换信号逡逑实验范式（如图２－１所示）。实验要求被试对Ｇｏ刺激的中间灰色箭头用双手的逡逑食指尽快尽准地启动辨别反应，例如箭头向左按左键，向右按右键；当Ｓｉｇｎａｌ逡逑出现时，被试需依据Ｓｉｇｎａｌ类型重新调整已启动并正在进行中的按键反应（停逡逑止或切换或继续）。系统同恃记录听觉注意任务的反应时间和按键的正误。实验逡逑分为２０个阶段，各阶段呈现１２０组试次，各阶段之间安排３０邋ｓ闭眼休息。实验逡逑前安排ｌＯｍｉｎ按键练习，正式实验耗时６５邋ｍｉｎ。逡逑实验指导语如下：逡逑＂您好！欢迎并感谢您参与本次认知实验！实验中将记录您的脑电活动，脑逡逑电是大脑产生的神经电活动，脑电记录是无创操作，不会对您的身体产生伤害。逡逑实验任务：Ｇｏ刺激（X1刺激）和R%ｇｎａｌ刺激（额外信号）两部分组成实逡逑验刺激材料，会依次呈现在屏幕中央，您需要记住Ｇｏ刺激两旁干扰项的颜色线逡逑索（局部概率）
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R741

【共引文献】