Cereb Cortex︱童善保/洪祥飞团队揭示视觉空间注意任务中脑电alpha节律的重要影响因素

撰文︱王佳琪，洪祥飞

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

人类可以主动将他们的视觉注意转移到与眼睛注视位置不同的任何位置，这种内隐性注意有效地促进了注意位置的信息处理，同时抑制了非注意位置的信息加工[1,2]。顶枕叶头皮区域alpha节律（8–13 Hz）的偏侧化，即所注意一侧视野对侧的alpha能量显著低于同侧，被认为是视觉空间注意的典型脑电（EEG）标记，可能体现了注意对感官加工的“门控”（gating）抑制机制[3–6]。

2022年8月25日，上海交通大学生物医学工程学院童善保教授课题组与上海交通大学医学院附属精神卫生中心洪祥飞博士合作在Cerebral Cortex上发表了题为“The effects of pre-cue posterior alpha on post-cue alpha activity and target processing in visual spatial attention tasks with instructional and probabilistic cues”的研究论文。该研究通过设计两个提示策略不同（指令性、或然性）的视觉空间注意任务，依据提示前基线alpha能量的高低，分别将受试者或试次分为高alpha组和低alpha组。结果发现，在两种提示策略下，提示后alpha节律调控均与提示前基线alpha能量密切相关。然而，基线alpha能量对目标刺激加工的影响，可能与提示策略有关。该研究表明，在研究alpha节律在视觉空间注意中的功能意义时，提示前基线alpha和提示策略是两个不可忽视的重要因素。

在视觉空间选择性注意任务中，头皮脑电中的alpha节律在提示之后会依次出现去同步化（能量降低）和偏侧化调控，可能体现了注意对于感官信息加工的调控。然而，关于alpha节律活动是否在视觉空间注意任务中起到关键性的因果作用，近年来一直存在较大争议[7]。这个问题在一定程度上源自对视觉空间注意任务中alpha节律的影响因素认识不足。通过回顾已有研究[8,9]以及团队前期相关工作[4,10]，本研究提出如下假设：提示前的基线alpha能量和提示策略（指令性、或然性）可能是影响视觉空间注意任务中alpha节律的潜在因素，在解释alpha节律的功能性意义时应当被纳入考虑。针对这一假设，本研究设计了两个提示策略不同（指令性、或然性）的视觉空间注意任务，分别在每个任务中采集了30名健康青年受试者的多通道头皮脑电数据。依据提示前顶枕叶头皮电极的基线alpha能量高低，分别在受试者（between-subject）水平或受试者内的试次（within-subject）水平上，将受试者或试次分为高alpha组和低alpha组（Higher vs. Lower）。在此基础上，本研究系统考察了视觉空间注意任务中的alpha节律和目标刺激加工受提示前基线alpha能量和提示策略的影响。本研究结果具体如下：

一、行为学表现

在两个实验中，整体的行为学结果表明所有受试者都按要求完成了实验任务操作，利用空间线索提示将视觉注意集中到了所提示的一侧视野。在between-subject和within-subject水平分别对受试者和试次进行二分组后，发现higher和lower alpha组的行为学表现没有显著差异。

二、整体的EEG结果

顶枕叶区域（图1A）的提示后alpha活动（图1B），表明视觉空间注意可以使alpha能量偏侧化，即注意对侧顶枕叶区域的能量小于同侧顶枕叶区域，且在提示出现后400−1200毫秒具有统计显著性。目标刺激诱发的ERP（图1C），体现了目标刺激对侧顶枕叶区域内视觉空间注意对N1成分幅值（增强）的调控效应，且指令性提示实验（Exp 1）的调控效应强于或然性提示实验（Exp 2）。此外，在两个实验中，都发现提示前基线alpha能量与提示后alpha偏侧化指数呈显著的正相关（图2）。

图1 整体的提示后alpha活动和目标刺激诱发的ERP

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

图2 提示前1000毫秒内的EEG功率谱和between-subject分组

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

三、Higher和lower基线alpha受试者分组的EEG结果（between-subject）

仅有higher alpha受试者分组表现出显著的提示后顶枕叶alpha偏侧性，而lower alpha受试者分组的alpha（去）同步化程度不显著（图3），表明在视觉空间注意任务中，提示后alpha活动与受试者在提示前的基线alpha能量密切相关。在目标刺激加工阶段（图4），指令性提示任务中（Exp 1）的higher和lower alpha受试者都表现出显著的N1幅值注意调控（增强），且两组的增幅没有差异；而在或然性提示任务中（Exp 2），仅在higher alpha受试者中观察到显著的N1注意调控，这说明N1反映的目标加工过程可能受到提示前alpha能量和提示策略的共同影响。

图3 between-subject分组下提示后alpha活动

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

图4 between-subject分组下目标刺激诱发的ERP

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

四、Higher和lower基线alpha试次分组的EEG结果（within-subject）

Higher和lower alpha试次分组都表现出显著的提示后顶枕叶alpha偏侧性，但是两组间的提示后alpha能量变化方向相反：higher alpha试次组为显著的去同步化，lower alpha试次组为显著的同步化（图5）。在目标刺激加工阶段（图6），指令性提示任务中（Exp 1）的higher和lower alpha试次都表现出显著的N1幅值注意调控（增强），且两组的增幅没有差异；而在或然性提示任务中（Exp 2），仅在lower alpha试次中观察到显著的N1注意调控。对比上述不同水平分组的结果，说明在within-subject水平和between-subject水平间，提示前基线alpha能量所反映的意义可能不同，前者可能代表视觉皮层的直接兴奋性（较低的alpha代表较高的兴奋性），后者可能与受试者个体的注意机制有关（仅higher alpha受试者出现提示后alpha偏侧化）。

图5 within-subject分组下提示后alpha活动

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

图6 within-subject分组下目标刺激诱发的ERP

（图源：Wang, el al., Cereb Cortex, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究揭示了在视觉空间注意任务中，提示后 alpha节律调控特征很大程度上取决于提示前的基线alpha能量高低，且在指令性和或然性提示策略中均是如此。然而，提示前alpha能量对目标刺激加工的影响，可能与提示策略有关。这在一定程度上说明alpha节律及其去同步化/偏侧化调控可能并不是视觉空间注意任务所不可或缺的。尽管如此，由于头皮脑电技术在空间分辨率方面存在的局限性，且本研究未采集受试者的脑影像学数据，故无法基于个体化的脑结构影像数据进一步对alpha节律进行准确的颅内定位，限制了本研究中针对基线alpha能量的进一步解释。未来基于个体化脑结构影像学数据和多通道头皮脑电/脑磁图的研究，将会有助于揭开alpha节律背后的具体生理意义。总之，本研究说明，提示前基线alpha能量和提示策略是未来相关研究中应当纳入考虑的两个重要因素。

原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhac326

王佳琪（上海交通大学生物医学工程学院博士生）为本论文第一作者；童善保教授（上海交通大学生物医学工程学院）和洪祥飞博士（上海交通大学医学院附属精神卫生中心）为本论文的共同通讯作者。该论文得到了孙俊峰（上海交通大学生物医学工程学院）和李春波（上海交通大学医学院附属精神卫生中心）两位教授的大力支持。本研究获得国家自然科学基金（61601294, U20B2074, 61571295)和上海市自然科学基金（22ZR1453800）等项目的资助。

第一作者：王佳琪（左），通讯作者：洪祥飞（中）、童善保（右）

（照片提供自：洪祥飞/童善保课题组）

课题组近年来在视觉空间注意及其受老龄化影响方向开展了一系列研究工作（Hong et al., NeuroImage,  2015；Hong et al., Sci Rep,  2017；Hong et al., Int J Psychophysiol, 2020；Hong et al., Hum Brain Mapp, 2020）。

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参考文献（上下滑动阅读） 

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本文完