HBM︱宋艳/孙黎课题组基于机器学习技术揭示首发ADHD儿童内隐视觉空间编码障碍的认知神经基

Original 李东伟，宋艳逻辑神经科学 2023-03-10

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撰文︱李东伟，宋艳责编︱王思珍，方以一：标题中“神经基”校改为“神经基础”编辑︱夏叶

注意缺陷多动障碍（ADHD）是一种常见的神经发育性障碍，以注意力不集中、多动和冲动症状为特征。大约5%的学龄儿童[1]患有注意力障碍，这严重影响了许多高级认知功能和学习表现[2]。然而，ADHD的潜在病理生理学基础并不清楚，仍然缺乏临床生物标记物来帮助ADHD的早期诊断，并作为干预的潜在靶点。

ADHD儿童的视觉空间异常，如反应时间的变异性增加，在许多行为研究中都有报道[3]。已有的功能磁共振研究发现，ADHD儿童在注意选择过程中，顶枕叶的血氧水平依赖信号弱于正常发育（TD）儿童[4]。研究人员所在课题组之前的系列研究使用视觉搜索范式探究ADHD儿童的注意力受损[5-7]。通过单变量事件相关电位（ERP）分析，研究人员检查了视觉空间注意的加工时间进程，并发现ADHD儿童在视觉搜索过程中与注意选择相关的顶枕叶N2pc成分的波幅显著小于TD儿童，首次确认了ADHD儿童的视觉空间注意损伤的潜在神经基础[5]。然而，视觉搜索并不单一的依赖于某个特定的脑区，传统的单变量ERP分析在高密度脑电图（HD-EEG）中丢失了大量的信息。现有研究仍然缺乏将ADHD儿童异常的全脑神经加工模式与受损的视觉注意选择联系起来的桥梁。

2021年10月15日，北京师范大学的宋艳团队和北京大学第六医院的孙黎团队在Human Brain Mapping（HBM）上发表了题为“Information-based multivariate decoding reveals impreciseneural encoding in children with attention deficit hyperactivitydisorder during visual selective attention”的文章，博士生李东伟和罗翔升博士（现为安定医院临床医生）为论文的并列第一作者，宋艳教授和孙黎研究员为论文的并列通讯作者。该工作采集了70名ADHD儿童和65名TD儿童进行视觉搜索任务时的脑电和行为数据，通过使用个体化的多变量机器学习的方法，揭示了对目标位置不精确且延迟的神经表征可以预测ADHD儿童视觉搜索受损的行为表现，为ADHD儿童的早期诊断和优化个性化干预治疗提供了潜在的研究方向。

内隐视觉空间注意在日常的生活学习中扮演了非常重要的角色。什么是内隐注意呢？思考一个常见的场景，作为一个熟练的汉语母语者，在阅读时一定不会一个字一个字的读文章。为了更加流畅的完成阅读任务，大脑会在眼睛移动到下一个词之前，预加工未来眼睛要看到的信息，从而提高阅读速度[8,9]。再比如，当司机驾驶汽车在高速公路上行驶时，虽然眼睛始终盯着前方的路况，驾驶员仍然需要时刻注意这后视镜里后方车辆的情况。因此，研究者将这种眼睛不动，但注意力放在外周视野的注意叫做内隐注意。

虽然ADHD儿童在内隐视觉空间注意方面的缺陷是众所周知的，但其潜在的核心障碍是否是目标选择却存在很大的争议。团队基于前期的研究提出了神经发育性障碍儿童混乱的神经编码假说(图1)，认为注意力好比一个探照灯在空间中寻找任务相关的目标，ADHD儿童的神经活动杂乱、低效导致了探照灯不聚焦，从而导致注意力变差。

图1 神经发育性障碍儿童混乱的神经编码假说与基于个体信息的多变量机器学习方法

（图源：Li, D. et al., HBM , 2022）

因此，团队通过非侵入性EEG信号，基于个体信息的多变量机器学习方法推进对神经发育障碍中认知缺陷的理解，具体研究结果如下：

1. 单变量ERP结果

图2显示了ADHD和TD儿童在视觉搜索开始后来自目标对侧和同侧的电极（PO7/8）的ERP波形和对侧减同侧的差异波。在ADHD和TD组的视觉搜索开始后的200-300毫秒内诱发了一个可靠的N2pc成分。研究团队以前的工作表明，ADHD儿童的N2pc成分比TD儿童小[5]。本研究中，研究团队用更大的样本量重复了之前的结果（图2D），进一步支持ADHD儿童的注意选择受损。

图2 ADHD儿童的注意选择相关的顶枕叶ERP成分N2pc波幅显著小于正常儿童

（图源：Li, D. et al., HBM, 2022）

2.多变量decoding结果

图3A显示了ADHD和TD儿童基于顶枕叶ERP地形模式解码目标位置时的解码准确性的时间进程，ADHD和TD儿童的解码准确率都在视觉搜索开始后约200毫秒明显高于机会水平。

更重要的是，解码准确性在视觉搜索开始后240-340毫秒期间，在ADHD和TD儿童之间表现出明显的差异（图3A）。具体来说，ADHD儿童比TD儿童表现出更不精确的目标定位和解码准确性的峰值延迟（ADHD：420±70毫秒；TD：391±70毫秒）。

图3 ADHD儿童的对于目标空间位置的解码准确率显著低于且慢于正常儿童

（图源：Li, D. et al., HBM, 2022）

3. 其他相关结果

在TD儿童中发现N2pc振幅和解码准确性之间有明显的相关性（图4B），但在ADHD儿童中并没有发现（图4A）。这一结果表明，多动症儿童对目标位置的编码具有独特的表征，这不是由N2pc成分促成的。此外，为了研究不精确的目标定位是否会损害行为表现，研究团队计算了解码准确性和行为结果之间的相关性。结果显示，ADHD儿童的解码准确性与反应时（图4C）和反应时变异性（图4D）显著负相关，这些相关性在TD儿童中并没有发现。研究团队还发现ADHD组的解码准确性和年龄之间有明显的相关性，这表明ADHD儿童存在空间定位的发育延迟。

图4 ADHD儿童的对于目标空间位置的解码准确率显著低于且慢于正常儿童

（图源：Li, D. et al., Hum Brain Mapp, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究采用经典的视觉搜索范式，结合EEG和多变量神经解码方法，探讨患有ADHD的学龄儿童的目标空间位置编码异常的神经模式。行为上，多动症儿童都表现出准确性的下降和反应时间的延迟，表明其目标定位缓慢且不精确。脑活动上，患有ADHD的儿童对目标位置的神经解码能力较差，表明其神经活动噪音大，空间定位能力受损。神经活动与行为之间的负相关进一步显示，神经活动的不精确性的将对ADHD儿童的注意力表现产生不利影响。因此，神经信号的解码可以更好地帮助我们理解神经生理信号中包含的密集信息，并对神经发育障碍中选择性注意的基本神经模式异常提供新的见解。

本研究的不足在于：首先，由于视觉搜索范式极易引起ADHD儿童的眼动，以后的研究需要解决眼动伪迹对脑电信号干扰的影响。此外，本研究为了在尽可能大的样本中进行研究两组儿童的智商没有完全精准匹配，后续研究需要在更大样本中进一步论证本研究解码模型的精确性。

总之，本研究指出，神经噪音的增加和混乱的神经响应可能是ADHD儿童神经发育障碍的基本缺陷。我们的研究结果为理解多动症儿童的认知功能障碍提供了新的神经生理学证据，并为多动症儿童的神经发育障碍的早期诊断和个性化干预提供了潜在的方向。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.26115

论文第一作者为北师大宋艳课题组博士生李东伟（Twitter: dwLi_Neuro），北大六院孙黎课题组罗翔升博士（现为安定医院临床医生）为论文的并列第一作者，通讯作者为北京师范大学宋艳教授和北京大学第六医院孙黎研究员；北京大学第六医院王玉凤教授也对此项工作做出了重要贡献。该项研究工作得到了国家自然科学基金（31871099，81971284, 81771479），北京市科委（Z171100001017089）等项目的资助。