采用EEG和fNIRS联合记录，宋艳课题组在《Cerebral Cortex》发文揭示视觉注意的神经血氧耦合机制

每天我们都要对空间中不同位置的信息进行选择。由于短时间内大脑可获得的总能量是有限的，大脑如果要对更多的空间信息进行筛选，就需要对注意资源进行快速高效的分配。这个过程不仅伴随着对信息进行有效的表征编码, 也伴随着根据以往的经验或先验信息进行灵活的注意分配。

2022年1月25日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室宋艳课题组在杂志《Cerebral Cortex》在线发表题为“The neurovascular couplings between electrophysiological and hemodynamic activities in anticipatory selective attention”的文章。研究利用EEG和fNIRS联合记录以及融合分析绘制了高空间分辨率和高时间分辨率的注意的激活响应模式，并进一步揭示了注意背后有趣的神经血氧耦合机制。

我们把注意力集中在与当前目标最相关的视觉刺激上，而忽略与行为无关的输入。 这两个过程被称为目标的强化和干扰的抑制。但以往研究中干扰的抑制过程往往和目标强化紧密的绑定在一起。本研究创新性的将目标和干扰概率分布和空间信息相结合（图1），成功实现了对目标的强化以及干扰抑制过程的分离。

图1 实验设计和行为结果

从正常成年人EEG数据中，研究者发现目标强化会在大脑后侧诱发一个早期的正向alpha（8 ~ 12 Hz）能量的偏侧化调制（图2A），干扰的抑制则会诱发一个后期负向的alpha偏侧化调制（图2B）。从fNIRS数据中，发现对目标和干扰物预期会在外侧纹状体区域诱发合氧血红蛋白（HbO）相同的偏侧化活动（图2 D,E）,但是两者激活的视皮层显著不同。

图2 由3种不同的线索诱发出来的三种不同的电生理神经响应（左）和血氧动力学信号的响应（右）

更重要的是，研究者发现了alpha活动和HbO信号之间特定的神经血氧耦关系。这种关系表现为在目标强化过程中的正向耦合效应（图3A）和在干扰抑制过程中的负向耦合效应（图3B）。 至此研究者发现了注意中对目标的强化和对干扰的抑制分别在时间、空间以及耦合关系发生了多重的分离。 其中有趣的是干扰抑制相关的alpha活动表现出了负向调制模式。这种模式保证了注意资源更少的被随后的干扰物所吸引。

图3 对目标的强化（A）和干扰的抑制（B）有着相反的神经血氧耦合关系

然而，以上只是对神经血氧耦合关系进行了定性的分析，如何对神经血氧耦合关系进行量化是需要解决的问题。由于大脑的电活动和血氧动力学活动分别从两个方面提供了“正交”的神经生理信息，二者之间并没有完美的时空对应关系。这使得二者进行融合分析的难度增加。研究者为了解决这个问题，在分析中首次采用了alpha-informed分析法（图4）。将提取出单个试次的alpha信息用来分析EEG信号在试次与试次间的变异性，并与连续的HbO信号进行建模分析，从而实现了对耦合关系的量化分析。

图4 alpha-informed 分析流程框图

结果不仅进一步验证了神经血氧耦合在方向上的差异（图5 ABC），同时也发现不同的耦合强度似乎对最终的行为反应有重要的影响。表现在行为成绩更好的人在目标强化时能够更有效地从正向的alpha-HbO耦合中获益，或在干扰抑制时更有效地利用负向的alpha-HbO耦合来抑制即将到来的干扰物（图5D）。

图5 在目标强化(A)和干扰抑制（B)偏侧化的alpha能量和原始血氧活动之间的关系,（D）量化后的神经血氧耦合的强度可以解释行为上反应时的变化。

以上结果不仅为注意在目标强化和干扰抑制机制的分离提供了来自神经血氧耦合方面新的证据。也帮助研究者建立了两种神经血氧耦合模型来解释注意过程中神经元表现出的电生理活动和血氧动力学信号表现出分工与协作。研究者形象的用“传送带驱动模型”解释了对目标强化（图6A: 开放式传送带）以及干扰抑制（图6B：交叉式传送带）的神经血氧耦合机制。

图6 神经血氧耦合机制在不同注意过程当中的“传送带”模型。A 目标强化的“开放传送带”驱动模型 B 干扰抑制的“交叉传送带”驱动模型。

值得注意的是该研究采用fNIRS–EEG联合记录的手段具有无创、彼此互不干扰、微小运动不敏感、生态效度高等多个优点，对于认知神经功效的研究提供了新的思路。同时也为未来儿童脑智研究，尤其是注意困难等障碍儿童的注意机制研究提供了新的思路和方法。

本研究是宋艳课题组近几年来对注意过程中神经血氧耦合机制探究 (Huang et al., NeuroImage 2015; Zhao et al., Human Brain Mapping 2019) 的拓展和延续。 该论文第一作者为北师大珠海校区博士后赵晨光，第二、三作者为北师大博士生李东伟、博士后郭家梁，通讯作者为宋艳教授。感谢北京师范大学李小俚教授、美国德州大学阿林顿分校的刘汉莉教授和华南师范大学的丁玉珑教授对本研究的指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点实验室开放课题等项目的资助。
 
论文链接： 

https://doi.org/10.1093/cercor/bhab525

参考文献：
Zhao C, Guo J, Li D, Tao Y, Ding Y, Liu H, Song Y. 2019. Anticipatory alpha oscillation predicts attentional selection and hemodynamic response. Human Brain Mapping. 40:3606–3619.

Huang J, Wang F, Ding Y, Niu H, Tian F, Liu H, Song Y. 2015. Predicting N2pc from anticipatory HbO activity during sustained visuospatial attention: a concurrent fNIRS-ERP study. NeuroImage. 113:225–234.