Neuron | Alpha神经反馈训练对空间注意的因果性影响

按：关于脑电alpha振荡和空间注意（spatial attention）的关系已有非常多的研究，本号对此也介绍过一些，感兴趣的同学可以点击上方标签#神经振荡来阅读以往推送。不过目前为止，探讨两者因果性关系的研究仍然是前沿。与使用外在的神经调控（如经颅磁刺激/电刺激）不同，本文介绍了一种比较特别的因果性研究方式，即利用神经反馈训练，让被试从内在调节自己的alpha活动，从而观测其对空间注意的影响。

空间注意（spatial attention）指的是将注意力有意识地转移到空间的某个位置（如左边或右边）。大量研究表明，顶枕部脑区的alpha神经振荡（8-12 Hz）能量的降低代表了注意的增强，而alpha能量的增强代表不注意（inattention）。此外，alpha活动和空间注意的这种关系是对侧控制的。换句话说，当人将注意力转移到左边时，他们右侧顶枕区域的alpha活动就会降低，而左侧alpha活动可能会增强。

上述实验观测发现了一种alpha活动和空间注意的相关关系，并不保证两者存在因果联系，也有可能alpha的偏侧化活动可能只是注意转移的结果而非原因。因此，要探索两者的因果关系，一种方法是直接操控alpha活动的强弱，然后看其对空间注意的影响。以往研究使用经颅磁刺激（TMS）或经颅交流电刺激（TACS）来诱发或干扰个体的alpha活动从而来探寻因果关系，但外在刺激必不可少存在一些局限性。因此本文作者希望使用一种更接近于自然状态的“神经反馈训练”（neurofeedback）来调控个体的alpha活动。

这里所说的神经反馈，就是利用MEG或EEG这样的仪器实时记录个体的脑电活动，通过对这些脑电活动的初步分析，程序会自动调节屏幕上的感觉刺激，被试通过看到这些感觉刺激（相当于是一种反馈）然后调节自己的内部状态，从而达到训练控制自己脑电活动的目的（图1B）。这种技术在动物和病人身上都已经得到了运用。

图1B  神经反馈示意图：个体MEG实时记录；alpha活动在线分析；感觉刺激动态变化；三者两两相互影响。

本研究使用了一个没有空间注意指令的任务，这使得我们可以独立操纵alpha活动（而不会被外界空间线索所影响）。同时实验者开发了一种范式，让被试在进行任务的时候可以选择性地改变左侧或右侧顶叶的alpha能量。在神经反馈训练过程中中，实验者测试了被试对于任务无关探测刺激（irrelevant probe）加工的影响。之后，为了探索神经反馈训练效应的持续性，还在训练之前和之后分别进行了经典的空间注意线索任务（Posner任务）和一个自由观看任务（free-viewing task）。

20名被试被平均分为两组：左侧神经反馈训练组（LNT；训练被试相对地增强左侧顶叶的alpha能量）和右侧神经反馈训练组（RNT；训练被试相对地增强右侧顶叶的alpha能量）。整个神经反馈阶段持续25-30分钟，包括100个神经反馈试次，神经反馈每500毫秒更新一次，具体神经反馈试次见图1A及其图注。

图1A 神经反馈试次。每个试次包括一个5秒的基线，然后是5秒的神经反馈。在神经反馈期间，MEG实时记录被试的alpha的不对称性指标（Alpha asymmetry index; AAI；即同侧和对侧顶叶alpha能量之差除以两侧alpha能量之和），这一指标的强弱控制了屏幕刺激的对比度（可见性），对比度每500ms更新一次。被试被要求盯着中心，然后努力增加视觉刺激的可见性（其实就是在操控自己的AAI）。之后光栅消失，然后出现一个清晰可见的光栅让被试报告光栅方向是否和之前看到的一样。

接下来看一下结果。首先，结果发现神经反馈训练可以让被试实现实时控制顶叶区域的alpha活动。如图2A和2B所示，LNT和RNT组可以分别选择性地提升左侧或右侧alpha能量；除了alpha能量的变化，还观测到了高频gamma能量的变化，其方向与alpha相反，这与以往研究结果一致，即alpha和gamma功能具有负向相关性。

为了探索训练的时间进程效应，研究者比较了训练开始（第一个block）和训练末尾（最后一个block）的alpha不对称性，结果发现（图2C/D）一开始没有很强的alpha不对称性，但是在训练末尾出现了很强的alpha不对称性。同时，两个block的差值也解释了alpha不对称性是在训练过程中被增强了的（换句话说，被试在训练后期已经可以成功控制自己的alpha活动）。有趣的是，两组被试的alpha不对称性都基本是来自左半球的调节。同时，alpha和gamma不对称从顶叶皮层延伸到枕叶皮层，但没有延伸到颞叶或额叶皮层。

图2  神经反馈训练对alpha活动的调节。(A)/(B) LNT和RNT组在神经反馈训练中的alpha能量变化；同时还发现了神经反馈中出现了高频gamma活动的变化（40~50 Hz处），且方向与alpha变化相反。(C)/(D)LNT和RNT组在神经反馈训练中第一个block/最后一个block/两个block差值的alpha能量不对称性

接着，研究者分析了神经反馈对视觉加工的影响。在神经反馈试次中，实验者在一些神经反馈试次快结束的时候，在屏幕左侧或右侧随机加入了一个任务无关的探测刺激，被试被要求避免注意这些无关干扰。因此，这些干扰探测刺激诱发的视觉加工活动可以作为视觉加工指标。结果发现（图3），探测刺激诱发的活动是存在偏侧化的（左侧的刺激诱发右侧脑区活动，反之亦然）。还记得一开始说过alpha的功能是对侧调节的，左侧增强alpha会抑制右侧加工，同时增强左侧加工（反之亦然）。类似地，实验结果确实发现LNT组对左侧刺激的加工更强，而RNT组对右侧刺激的加工更强（图3C/D）。这也说明神经反馈是有效的，且能够影响到对视觉刺激的加工。

图3  神经反馈对于探测刺激视觉加工的影响

之后，研究者又分析了是否神经反馈训练具有延续性的效果，研究者利用经典的Posner线索任务（包括三种试次类型：注意左侧/注意右侧/中性线索），在神经反馈训练前和后分别测量了被试的MEG信号。这里定义了注意调节指标（attention modulation index; AMI; 注意左侧试次的alpha减去注意右侧试次的alpha再除以两类试次alpha之和），结果发现（图4A），LNT和RNT的被试在神经反馈训练前后都表现出相似的模式，即左半球AMI表现出正值而右半球表现出负值，这与以往研究结果一致。用训练后的AMI减去训练前的AMI之后，发现LNT组被试训练后增强了左侧的AMI，而RNT被试训练后是降低了右侧AMI，也就是神经反馈训练倾向于影响同侧的AMI。

此外，作者也探索了alpha对中性线索试次的影响。类似地，通过比较延迟阶段和基线阶段的alpha能量指标，研究者发现两组被试在训练后都出现了两侧alpha能量下降（图4C），且对侧半球下降的更多。对于Posner任务的行为反应（图4D），由于练习效应，所有情况下的反应时间（RT）的在训练前后的差值都是负的。在中性线索试次中，发现了被试对于同侧目标的反应时更短，但左侧或右侧线索的试次中没有发现显著的反应时差异。这说明神经反馈训练造成了中性刺激的行为变化，但不足以影响到存在外界线索（即存在自上而下加工影响）的试次。总之，这些结果表明神经反馈训练在训练后仍然在神经和行为层面起到作用。

图4  神经反馈对Posner任务的神经和行为反应影响

除了Posner任务外，作者还让小部分被试完成了自由观看图片任务，并同时记录了其眼动活动。结果显示，LNT组的被试有明显的注意左侧偏好，而RNT组被试有注意右侧的偏好（图5）。这说明神经反馈训练的持续性效果不只是在选择注意任务中出现，同样可以推广到更一般的自由观看行为中。

图5  自由观看任务以及两组被试的注视偏好

总结一下，本研究发现个体可以通过神经反馈的方法学习控制自己的左侧或右侧顶叶区域的alpha活动同步化，这种对alpha能量的控制可以进一步影响视觉加工，并且这种效应在训练后还可以保持一段时间。这个研究一方面对alpha和空间注意的关系提供了一些因果证据，同时也说明神经反馈技术作为一种更自然、不需要外界刺激的手段未来有可能可以运用于注意缺陷等疾病的干预治疗中去。

论文原文：

Bagherzadeh, Y., Baldauf, D., Pantazis, D., & Desimone, R. (2020). Alpha Synchrony and the Neurofeedback Control of Spatial Attention. Neuron, 105(3), 577-587 e575. doi:10.1016/j.neuron.2019.11.001

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