本研究結合Go/No Go和無運動伴隨性關聯負變(CNV)實驗范式考察了CNV能否表達"期望"的心理含義。通過對不同的預備信號誘發的CNV特征進行直接比較發現了很有價值的結果:誘發CNV的關鍵在于預備信號和命令信號兩個刺激在出現順序上的連結性,命令信號是否與任務有關會影響誘發波幅的大小,這種特性反映了受試者對第二個刺激的期待心理。據此我們認為在本實驗條件下,CNV成分可作為表征"期望"含義的電生理指標。
引用本文： 左娟, 熊俊浩, 李永建. 伴隨性關聯負變:一種與期望相關的腦電波. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 35-38. doi: 10.7507/1001-5515.20140007 復制
引言
由于計算機在EEG研究中的應用而興起的事件相關電位(event-related potentials，ERP)研究，在關于各種心理因素的腦機制研究方面進展迅速，多年來一直是各國學者為之傾心探索的課題。目前，探討人類心理活動和腦電波之間的關系是該研究領域的重要組成部分。因此，獲取只由心理因素引起的腦電波是必要的。多數研究普遍認為伴隨性關聯負變(contingent negative variation，CNV)是由心理因素引起的ERP成分，英國神經生理學家Walter等[1]通過研究雙刺激恒定前期反應時(fixed fore-period of a reaction time)實驗，即預備信號-命令信號-動作反應(S1-S2-MR)實驗，結果在預備信號和命令信號之間觀察到EEG的負向偏轉，Walter等稱其為CNV，而他們采用的實驗方式被稱作“標準CNV范式”。隨后，Walter[2]根據改變關于S2出現概率的實驗，進一步將其命名為“期待波”。在他的實驗中，S1一定出現，但S2不一定出現，從而破壞了S2與S1的伴隨性，認為這樣也就降低了被試者對S2的期待程度。結果發現隨著S2出現概率的降低，CNV波幅也相應降低，若S2持續一段時間不呈現，則無法誘發CNV。這一發現在心理現象與腦神經科學之間架起了一座橋梁，啟迪人們應用這一發現深入探討CNV與“期望”這一心理現象的關系。繼Walter之后，不同學者紛紛對S1~S2之間的負性腦電成分進行探討，認為它是與期望相關的皮層慢電位，能夠反映被試的期望過程[3-6]。
以上這些研究結果均傾向于支持CNV成分的“期望”說法，它們有兩個構成要素：兩個刺激信號的伴隨性和時間的連結性。兩個刺激信號的偶聯反映了被試對S2的期待心理，即預備信號S1引發了被試對S2的期待和關注。依據以上分析，本研究認為不能夠忽視預備信號S1在誘發期望心理時所發揮的提示引導作用，如果能利用這個特點進一步考察兩個刺激信號的伴隨性對CNV的影響，則有助于驗證CNV是否能夠作為表達“期望”的電生理指標。因此，本研究在標準CNV范式的基礎上引入Go/No Go實驗方式，通過實驗指導語有效利用預備信號引發被試對命令信號的期待心理，以期在反應準備期產生顯著的期望效應，著重突出在第二個刺激呈現前大腦內部的活動變化，以繼續考察CNV成分作為期望這一心理活動在腦電波上的表征及其腦機制。同時，為了避免運動預備電位成分的干擾進而突出心理因素，選取默數作為命令信號的反應方式。
1 實驗方法
1.1 被試與實驗設備
被試者為12名西南交通大學在讀研究生，男女各半，所有被試視力或矯正視力正常，無色盲色弱，均為右利手，年齡為23~25歲，身心健康，此前從未參加過類似實驗，實驗結束后給予一定的報酬。
德國BP公司腦電儀一臺，整個實驗在西南交通大學人因認知工程實驗室進行，被試坐在離19英寸顯示器70 cm的正前方，被試的視野中心與顯示器中心平齊。EEG采集利用64導腦電記錄分析系統實現；采用國際標準10-20系統電極放置法安裝電極；記錄垂直眼動和水平眼動；A1、A2做為參考電極。電極與頭皮接觸電阻小于5 kΩ；EEG離線分析應用BP腦電儀自帶軟件Analyzer2.0完成。
1.2 刺激材料與實驗設計
根據Chen[7]的視覺對拓撲結構覺察的敏感性實驗，被試對拓撲結構有差別的圓圈與實心圓的辨認率最高。因此，為了保證預備信號的識別效率，本研究選取圓圈與實心圓作為預備信號。實驗程序由E-Prime軟件編制，預備信號的刺激材料為直徑2.4 cm的黑色實心圓和黑色圓環，命令信號的刺激材料為大寫字母Y和N。
戴好電極帽后，被試坐在明亮的聲屏蔽房間里，用下巴托將頭部固定，眼睛距顯示器距離70 cm，被試的視野中心與顯示器中心平齊。刺激呈現在白色背景的中心，刺激視角約為1.96°。采取被試內實驗設計，根據預備信號是否跟隨有命令信號分為兩組按照隨機順序顯示：① 命令信號有關組，即預備信號S01(黑色實心圓)--命令信號S02(字母Y)或者S2(字母N)；② 命令信號無關組，即只有預備信號S1(黑色圓環)。其中，預備信號和命令信號的呈現時間均為100 ms，每個刺激之間的間隔時間(inter-stimulus-interval，ISI)為1 500 ms，每個trial之間間隔4 000 ms，每組各顯示100次，命令信號S02(字母Y)或者S2(字母N)按照隨機順序各出現50次。待疊加時，將S02和S2分別疊加。
指導語：歡迎參加本次試驗！屏幕中心首先將會呈現一個黑色的實心圓或者圓環，如果你看到一個黑色實心圓，則說明后面會出現一個大寫字母Y或者N；如果你看到一個黑色圓環，則說明后面什么都不會出現。你的任務為默數大寫字母Y的個數。不用對字母N做任何反應，在試驗結束后向主試報告。實驗過程中請將注視點保持在刺激圖片上，準備好以后按任意鍵開始試驗。
2 實驗結果
取預備信號出現前200 ms作為基線，分析時間窗為-200~2 000 ms，將全部被試者的同種EEG疊加，則得到以下總平均圖(Grand Average Records)，如圖 1所示。圖 1中是大腦前部、中部、后部共19個具有代表性的電極點(FP1、FP2、F7、F3、FZ、F4、F8、T7、C3、CZ、C4、T8、P7、P3、PZ、P4、P8、O1、O2)。根據Smith等[8]和邱佩鈺等[9]的研究，CNV波幅在頂部CZ點最大，因此將CZ點的誘發電位特別繪出，如圖 2所示。
圖1
不同期望程度的ERP波形各點分布
Figure1.
Distribution of ERPs waveform of 19 poles in different expectation
圖2
CZ點不同期望程度的ERP波形圖
Figure2.
ERPs waveforms of CZ in different expectation
首先從總平均圖分別觀察兩組實驗條件之間的波形特征差異,預備信號先后誘發了P100、N100、P300成分。所有被試中有11位被試在預備信號S1的情況下完全沒有發生負向偏轉，大約從700 ms開始就在基線以下平緩的波動；在預備信號S01的條件下，不論命令信號是否需要反應，都在700 ms左右發生顯著的負向偏轉，即CNV。其中，S01-S02的條件下CNV從690 ms開始，持續至1 790 ms。相比之下，S01-S2條件下的零點(即負性變化的起點)出現的較晚并且負向偏轉提前結束，CNV的持續時間從750 ~1760 ms。這一趨勢在腦電地形圖(brain electrical activity mapping，BEAM)上也有所反映，如圖 3所示，可以看出在預備信號S1的情況下大腦并無明顯激活區域，S01-S02和S01-S2條件下均在枕葉部位有所激活，并且S01-S02條件下在左右額葉的部分地區也有激活。
圖3
CZ點不同期望程度的腦電地形圖
Figure3.
BEAM of CZ in different expectation
本實驗結果的CNV測量按常規取零點與命令信號出現之間負波的面積，即零點~1 600 ms之間的波形面積，相應地，潛伏期也選取零點~1 600 ms之間的時間。為了便于分析，CNV的面積由BP腦電儀自帶分析軟件導出其絕對值。對不同條件下的CNV面積和潛伏期的數據進行比較，將其差異顯著性進行統計分析，結果發現S01-S02組的CNV面積顯著大于S01-S2組的CNV面積，二者的潛伏期差異并未達到顯著水平，如表 1所示。
表1
CZ點波幅、潛伏期數據(3 討論
根據S1后負波上升速度對CNV分類，本實驗結果屬于和視覺刺激有關的緩慢上升型CNV。為了考察預備信號的提示引導作用，本研究根據Chen的拓撲性質知覺理論選取實心圓和圓環作為預備信號以提高辨別的準確性。從認知心理學的角度來看，內部提示是一種自上而下的加工(top-down)，引發理解符號提示意義的神經加工和對于提示信號的自發性注意。對S1的內源性注意誘發了早期N100、P100和晚期P300成分，類似地，Li 等[10]提出早期ERP成分與自上而下的加工有關，而Gonzalez-rosa等[11]也認為P100、N100、P300等早期成分可以參與考察被試在刺激處理方面的認知能力。
在本實驗情境中，利用指導語讓被試建立起S01和S02(或S2)之間的固定時間關系，這兩種信號之間的偶聯引發了被試對命令信號的期待心理，對由“S01-S02(或S2)-默數(或不做反應)”所構成的節奏保持著高度的警覺。被試的期望程度隨著不同的預備信號而起伏，在看到S1的時候，能夠立即斷定后面不會跟隨S02，就不會產生任何期待，因此處于放松休息狀態；看到S01的時候，不確定S02是否會出現，因此進入反應準備階段，當看到S02時，完成一次計數任務；當看到與任務無關的信號S2時，期望程度得到抑制，繼續等待下一個預備信號的出現。正是在這種心理活動背景下，才出現了只有S01呈現后翻轉為CNV的現象。本實驗中命令信號S02、S2設計為Go/No Go任務，可以從CNV波形和統計數據上看到，S02的波幅要顯著大于S2的波幅，即需要反應的命令信號誘發的CNV更明顯一些，但是，與命令信號無關組相比，它們均誘發了較為明顯的CNV成分。類似地，多數研究人員也認為CNV成分體現了對任務刺激的反應準備，當線索預示將有一個反應信號出現時，大腦CNV常出現顯著的變化，并據此利用S1-S2實驗范式與CNV成分進行不同的研究[12-15]。
由此可見，誘發CNV的關鍵在于預備信號和命令信號在出現順序上的連結性，命令信號是否與任務有關則會影響其波幅的大小，這種特性反映了受試者對第二個刺激的期待心理。
4 總結
CNV的發現給心理現象腦機制的研究開辟了一個新途徑，它可以反映心理因素的影響已被先前的許多研究證實。本研究證明了在受到預備信號的有效引導時是可以產生CNV的。產生這種現象的原因很有可能與被試期望心理的產生有關。同時，由于減少了運動因素的影響，ERP結果表明在本實驗條件下，CNV成分可以作為表征“期望”含義的電生理指標，其關鍵在于預備信號和命令信號兩個刺激的偶聯，這種特性反映了受試者對命令信號的期待心理，著重于第二個刺激呈現前大腦內部的活動變化，腦內不同部位的激活差異也反映了這種內部活動的變化。與其它事件相關電位成分一樣，對CNV的研究除了具有現實實踐意義，在理論上也將有可能為破譯人類大腦的心理活動密碼提供必要的資料。
引言
由于計算機在EEG研究中的應用而興起的事件相關電位(event-related potentials，ERP)研究，在關于各種心理因素的腦機制研究方面進展迅速，多年來一直是各國學者為之傾心探索的課題。目前，探討人類心理活動和腦電波之間的關系是該研究領域的重要組成部分。因此，獲取只由心理因素引起的腦電波是必要的。多數研究普遍認為伴隨性關聯負變(contingent negative variation，CNV)是由心理因素引起的ERP成分，英國神經生理學家Walter等[1]通過研究雙刺激恒定前期反應時(fixed fore-period of a reaction time)實驗，即預備信號-命令信號-動作反應(S1-S2-MR)實驗，結果在預備信號和命令信號之間觀察到EEG的負向偏轉，Walter等稱其為CNV，而他們采用的實驗方式被稱作“標準CNV范式”。隨后，Walter[2]根據改變關于S2出現概率的實驗，進一步將其命名為“期待波”。在他的實驗中，S1一定出現，但S2不一定出現，從而破壞了S2與S1的伴隨性，認為這樣也就降低了被試者對S2的期待程度。結果發現隨著S2出現概率的降低，CNV波幅也相應降低，若S2持續一段時間不呈現，則無法誘發CNV。這一發現在心理現象與腦神經科學之間架起了一座橋梁，啟迪人們應用這一發現深入探討CNV與“期望”這一心理現象的關系。繼Walter之后，不同學者紛紛對S1~S2之間的負性腦電成分進行探討，認為它是與期望相關的皮層慢電位，能夠反映被試的期望過程[3-6]。
以上這些研究結果均傾向于支持CNV成分的“期望”說法，它們有兩個構成要素：兩個刺激信號的伴隨性和時間的連結性。兩個刺激信號的偶聯反映了被試對S2的期待心理，即預備信號S1引發了被試對S2的期待和關注。依據以上分析，本研究認為不能夠忽視預備信號S1在誘發期望心理時所發揮的提示引導作用，如果能利用這個特點進一步考察兩個刺激信號的伴隨性對CNV的影響，則有助于驗證CNV是否能夠作為表達“期望”的電生理指標。因此，本研究在標準CNV范式的基礎上引入Go/No Go實驗方式，通過實驗指導語有效利用預備信號引發被試對命令信號的期待心理，以期在反應準備期產生顯著的期望效應，著重突出在第二個刺激呈現前大腦內部的活動變化，以繼續考察CNV成分作為期望這一心理活動在腦電波上的表征及其腦機制。同時，為了避免運動預備電位成分的干擾進而突出心理因素，選取默數作為命令信號的反應方式。
1 實驗方法
1.1 被試與實驗設備
被試者為12名西南交通大學在讀研究生，男女各半，所有被試視力或矯正視力正常，無色盲色弱，均為右利手，年齡為23~25歲，身心健康，此前從未參加過類似實驗，實驗結束后給予一定的報酬。
德國BP公司腦電儀一臺，整個實驗在西南交通大學人因認知工程實驗室進行，被試坐在離19英寸顯示器70 cm的正前方，被試的視野中心與顯示器中心平齊。EEG采集利用64導腦電記錄分析系統實現；采用國際標準10-20系統電極放置法安裝電極；記錄垂直眼動和水平眼動；A1、A2做為參考電極。電極與頭皮接觸電阻小于5 kΩ；EEG離線分析應用BP腦電儀自帶軟件Analyzer2.0完成。
1.2 刺激材料與實驗設計
根據Chen[7]的視覺對拓撲結構覺察的敏感性實驗，被試對拓撲結構有差別的圓圈與實心圓的辨認率最高。因此，為了保證預備信號的識別效率，本研究選取圓圈與實心圓作為預備信號。實驗程序由E-Prime軟件編制，預備信號的刺激材料為直徑2.4 cm的黑色實心圓和黑色圓環，命令信號的刺激材料為大寫字母Y和N。
戴好電極帽后，被試坐在明亮的聲屏蔽房間里，用下巴托將頭部固定，眼睛距顯示器距離70 cm，被試的視野中心與顯示器中心平齊。刺激呈現在白色背景的中心，刺激視角約為1.96°。采取被試內實驗設計，根據預備信號是否跟隨有命令信號分為兩組按照隨機順序顯示：① 命令信號有關組，即預備信號S01(黑色實心圓)--命令信號S02(字母Y)或者S2(字母N)；② 命令信號無關組，即只有預備信號S1(黑色圓環)。其中，預備信號和命令信號的呈現時間均為100 ms，每個刺激之間的間隔時間(inter-stimulus-interval，ISI)為1 500 ms，每個trial之間間隔4 000 ms，每組各顯示100次，命令信號S02(字母Y)或者S2(字母N)按照隨機順序各出現50次。待疊加時，將S02和S2分別疊加。
指導語：歡迎參加本次試驗！屏幕中心首先將會呈現一個黑色的實心圓或者圓環，如果你看到一個黑色實心圓，則說明后面會出現一個大寫字母Y或者N；如果你看到一個黑色圓環，則說明后面什么都不會出現。你的任務為默數大寫字母Y的個數。不用對字母N做任何反應，在試驗結束后向主試報告。實驗過程中請將注視點保持在刺激圖片上，準備好以后按任意鍵開始試驗。
2 實驗結果
取預備信號出現前200 ms作為基線，分析時間窗為-200~2 000 ms，將全部被試者的同種EEG疊加，則得到以下總平均圖(Grand Average Records)，如圖 1所示。圖 1中是大腦前部、中部、后部共19個具有代表性的電極點(FP1、FP2、F7、F3、FZ、F4、F8、T7、C3、CZ、C4、T8、P7、P3、PZ、P4、P8、O1、O2)。根據Smith等[8]和邱佩鈺等[9]的研究，CNV波幅在頂部CZ點最大，因此將CZ點的誘發電位特別繪出，如圖 2所示。
圖1
不同期望程度的ERP波形各點分布
Figure1.
Distribution of ERPs waveform of 19 poles in different expectation
圖2
CZ點不同期望程度的ERP波形圖
Figure2.
ERPs waveforms of CZ in different expectation
首先從總平均圖分別觀察兩組實驗條件之間的波形特征差異,預備信號先后誘發了P100、N100、P300成分。所有被試中有11位被試在預備信號S1的情況下完全沒有發生負向偏轉，大約從700 ms開始就在基線以下平緩的波動；在預備信號S01的條件下，不論命令信號是否需要反應，都在700 ms左右發生顯著的負向偏轉，即CNV。其中，S01-S02的條件下CNV從690 ms開始，持續至1 790 ms。相比之下，S01-S2條件下的零點(即負性變化的起點)出現的較晚并且負向偏轉提前結束，CNV的持續時間從750 ~1760 ms。這一趨勢在腦電地形圖(brain electrical activity mapping，BEAM)上也有所反映，如圖 3所示，可以看出在預備信號S1的情況下大腦并無明顯激活區域，S01-S02和S01-S2條件下均在枕葉部位有所激活，并且S01-S02條件下在左右額葉的部分地區也有激活。
圖3
CZ點不同期望程度的腦電地形圖
Figure3.
BEAM of CZ in different expectation
本實驗結果的CNV測量按常規取零點與命令信號出現之間負波的面積，即零點~1 600 ms之間的波形面積，相應地，潛伏期也選取零點~1 600 ms之間的時間。為了便于分析，CNV的面積由BP腦電儀自帶分析軟件導出其絕對值。對不同條件下的CNV面積和潛伏期的數據進行比較，將其差異顯著性進行統計分析，結果發現S01-S02組的CNV面積顯著大于S01-S2組的CNV面積，二者的潛伏期差異并未達到顯著水平，如表 1所示。
表1
CZ點波幅、潛伏期數據(3 討論
根據S1后負波上升速度對CNV分類，本實驗結果屬于和視覺刺激有關的緩慢上升型CNV。為了考察預備信號的提示引導作用，本研究根據Chen的拓撲性質知覺理論選取實心圓和圓環作為預備信號以提高辨別的準確性。從認知心理學的角度來看，內部提示是一種自上而下的加工(top-down)，引發理解符號提示意義的神經加工和對于提示信號的自發性注意。對S1的內源性注意誘發了早期N100、P100和晚期P300成分，類似地，Li 等[10]提出早期ERP成分與自上而下的加工有關，而Gonzalez-rosa等[11]也認為P100、N100、P300等早期成分可以參與考察被試在刺激處理方面的認知能力。
在本實驗情境中，利用指導語讓被試建立起S01和S02(或S2)之間的固定時間關系，這兩種信號之間的偶聯引發了被試對命令信號的期待心理，對由“S01-S02(或S2)-默數(或不做反應)”所構成的節奏保持著高度的警覺。被試的期望程度隨著不同的預備信號而起伏，在看到S1的時候，能夠立即斷定后面不會跟隨S02，就不會產生任何期待，因此處于放松休息狀態；看到S01的時候，不確定S02是否會出現，因此進入反應準備階段，當看到S02時，完成一次計數任務；當看到與任務無關的信號S2時，期望程度得到抑制，繼續等待下一個預備信號的出現。正是在這種心理活動背景下，才出現了只有S01呈現后翻轉為CNV的現象。本實驗中命令信號S02、S2設計為Go/No Go任務，可以從CNV波形和統計數據上看到，S02的波幅要顯著大于S2的波幅，即需要反應的命令信號誘發的CNV更明顯一些，但是，與命令信號無關組相比，它們均誘發了較為明顯的CNV成分。類似地，多數研究人員也認為CNV成分體現了對任務刺激的反應準備，當線索預示將有一個反應信號出現時，大腦CNV常出現顯著的變化，并據此利用S1-S2實驗范式與CNV成分進行不同的研究[12-15]。
由此可見，誘發CNV的關鍵在于預備信號和命令信號在出現順序上的連結性，命令信號是否與任務有關則會影響其波幅的大小，這種特性反映了受試者對第二個刺激的期待心理。
4 總結
CNV的發現給心理現象腦機制的研究開辟了一個新途徑，它可以反映心理因素的影響已被先前的許多研究證實。本研究證明了在受到預備信號的有效引導時是可以產生CNV的。產生這種現象的原因很有可能與被試期望心理的產生有關。同時，由于減少了運動因素的影響，ERP結果表明在本實驗條件下，CNV成分可以作為表征“期望”含義的電生理指標，其關鍵在于預備信號和命令信號兩個刺激的偶聯，這種特性反映了受試者對命令信號的期待心理，著重于第二個刺激呈現前大腦內部的活動變化，腦內不同部位的激活差異也反映了這種內部活動的變化。與其它事件相關電位成分一樣，對CNV的研究除了具有現實實踐意義，在理論上也將有可能為破譯人類大腦的心理活動密碼提供必要的資料。
