经典再读 | P3a与P3b的整合理论

Original 周翊茗创科技 2021-11-10

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P3a与P3b的整合理论

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这是一篇关于P3的经典文章，但凡是涉及到P3的ERP研究，这篇文章经典必读。文章对前人关于P3的实验与理论研究进行了全面的回顾，强调了与成分产生相关的功能、神经生理和神经心理机制。详细介绍了P3a以及P3b两个亚成分的神经心理学起源，通过整合P3a和P3b的背景研究来评估不同的P300。

研究提出了一种认知模型，该模型假设“P300”包含一个早期注意过程，该过程来源于额叶工作记忆的变化，产生了P3a。而P3b则起源于与注意力相关的颞顶叶活动并且与随后的记忆加工有关。研究结果还表明，theta和alpha活动可能支配P3a与注意和P3b与记忆之间的关系。

ERP小白必读|十篇ERP初学者经典论文

摘要：本研究通过考虑影响P300的振幅、潜伏期和一般特征，回顾了关于P300的实验和理论发展，详细介绍了P3a和P3b两个亚成分的神经心理学起源以及目标刺激的辨别难度如何调节地形图，对P3a和P3b的产生位置进行了概述，并且提出了一种认知模型：P3a来源于任务加工过程中刺激驱动的前额注意机制，然而P3b起源于与注意力相关的颞顶叶活动并且与随后的记忆加工有关。强调了将P3a与额叶/多巴胺能和P3b与顶叶/去甲肾上腺素通路联系起来的神经递质活动。神经抑制被认为是P300的一个重要理论机制，当刺激探测与记忆相结合的时候P300被激活。

引言

P300的发现促使人们使用事件相关电位(ERP)方法来评估认知的神经基础。而今人们开始探索一些基础的神经系统，例如P300激活的神经递质系统。虽然早期对P300的研究主要来自于功能分析，但是现在这种单一的成分被认为是由几个成分共同组成的，这些成分反映了当注意和记忆激活时，信息的联合处理。本文综合了目前电生理（neuroelectric）和神经成像数据对P300的综合解释，通过引用和总结陈述基础原理来促进这一不断发展的研究领域的可评估性。

论文分为了5个部分：①介绍了P300的基本问题于理论综述；②概述了P3a和P3b在神经心理学上的区别；③论述了P300起源的fMRI数据，这些数据提供了组成神经回路的神经生理学基础；④概述了与P3a和P3b相关的神经药理过程，来说明电生理系统和神经递质系统可能如何相互作用；⑤本文提出了一个认知模型，其中P3a和P3b是由刺激事件所参与的抑制机制的运作而产生的，可以促进记忆加工。

为了保持命名的一致性，术语“P300”用来指规范的ERP组件，也被称作P3或LPC。P3a和P3b是以上定义的两个不同的子成分。早期的综述已经包含了P300的主要实践与理论方法(Donchin and Coles,1988)。但是没有直接涉及关于衰老，临床以及发展性的P300的研究。

2. P300的特点与理论

2.1 一个简单的历史

P300在40年前被发现(Suttonet al., 1965)。它的发现受到用于人类电生理测量的信号平均技术的提高以及信息论对心理学的共同影响(Sutton,1979)。最初的研究通过操纵刺激信息来评估不同条件下大脑电模式的变化(see Bashore and vander Molen, 1991)。随后的研究结果阐明了刺激的出现概率和任务相关性的影响，为对从oddball范式所获得的数据进行功能分析提供了基础(Donchin et al.,1978; Pritchard, 1981)。

图1展示了oddball任务的各种变式。单个刺激出现的过程中很少出现其他刺激（上）。传统的双刺激的oddball任务会在一个频繁出现的标准刺激的情景下呈现一个少见的刺激（中间）。三刺激的oddball任务是指在经常出现的标准刺激和不经常出现的干扰刺激背景下的一个罕见目标(下)。在每一种情况下，被试都被指示对目标刺激做出反应，而对其他刺激不做任何反应。研究一般通过振幅和潜伏期来测量P300。振幅是刺激前的平均基线电压和ERP波形在一个时间窗口内(例如，250- 500 ms，尽管这个范围可能因刺激方式、任务条件、被试年龄等而不同)的最大正向峰值之间的差值。潜伏期（ms）是一个时间窗内从刺激开始到最大正振幅点的时间。P300的主要头皮分布在中线电极(Fz、Cz、Pz)，其幅度通常从前额到顶叶电极部位不断增加。

图1

2.2 背景更新理论

图2阐述了oddball任务加工的原理。在这一框架下，P300反映了由输入刺激引起的心理表征的改变所引起的大脑活动(Donchin, 1981)。在最初的感觉加工之后，注意力驱动的比较过程评估了工作记忆中对前一事件的表征，这一过程与感觉刺激特征失配探测有关，但与之不同(Heslenfeld, 2003;Kujala and Na¨a¨ta¨nen, 2003)。如果没有检测到刺激的变化，则当前心理模式或“图式”保持不变，只记录感觉所诱发的电位(N100、P200、N200)。如果检测到了新的刺激，P300发生变化。这些事件类似于定向反应(cf. Polich,1989;Rushby et al., 2005; Yamaguchi et al., 2004)。

图2 P300的背景更新理论

尽管oddball任务简单且观察到的ERP可靠，但是关于大脑如何以及为什么产生P300的问题依旧没有得以解决。事实上，刺激表征（词语，物体）在过去（如，工作记忆或识别任务）就保持在记忆中，这类刺激的再次出现比以前从未出现过的刺激的出现可以诱发更大的P300波幅(e.g., Doyle andRugg, 1992;Guo et al., 2006; McEvoy et al., 2001)。虽然任务需求很容易改变这种结果，通过更新操作来更新背景，因为非目标刺激的出现吸引了注意从而改变了当前的神经表征(Donchin et al.,1986)。

在它提出和多次被证实25年之后，背景更新假说[M5] （context-updatinghypothesis）仍然是一种主要的理论，尽管出现了不同的理论重点，但该论点的普遍性无可反驳 (e.g., Mecklingerand Ullsperger, 1993, 1995; Nieuwenhuis et al., 2005; Verleger et al.,2005;Yordanova et al., 2001)。上下文更新方法可能反映了较强的与P3a相关的初始目标刺激加工，并随着重复目标刺激产生P3b减少(Kok,2001)。P300对习惯化和去习惯化过程的反应表明了每个潜在的注意分配指标在不同的水平上的联系(Kok, 1997)。

2.3 资源分配与P300

P300背景更新假说在很大程度上起源于对双刺激oddball任务中目标刺激出现概率的操纵。将目标刺激从标准刺激中区分出来会产生一个很大的P300，当目标刺激出现的概率降低时，P300的振幅会增加(Duncan-Johnson andDonchin, 1977, 1982; Johnson and Donchin, 1982; Squires et al., 1976)。目标刺激概率效应是解释P300起源于涉及工作记忆的任务条件的基础（Donchin etal.,1986),这可能与刺激的序列效应相关(Leuthold andSommer, 1993;Sommer et al., 1990, 1998)。另外，P300对双任务中所需要的注意资源数量十分敏感。在完成一项认知要求不同的主要任务时，被试还需有同时进行第二项任务，即在心里计算目标的oddball刺激。随着主要任务的难度增加，无论主要任务的要求是什么，oddball任务所诱发的P300波幅降低(Isreal et al.,1980; Kramer et al., 1985; Wickens et al.,1983)。

图3说明了注意资源分配与P300结果之间的关系。加工系统受觉醒水平的调节，觉醒水平控制着任务所需的注意资源(Kahneman, 1973)。当任务要求较低时，P300反映了注意资源，这时候振幅较大，峰潜伏期相对较短。因此，当任务需要更多的注意资源时，P300波幅降低，峰值潜伏期更长(Kok, 2001;Polich,1987)。被动的刺激加工比主动任务产生更小的P300波幅，刺激以及非任务刺激需要注意资源的加工从而减少了波幅。此外，特质和状态唤醒水平影响调节P300的注意过程的有效性(Kok,1990; Pribramand McGuinness, 1975)。紧张性唤醒变化是能量状态波动相对缓慢的表现，而阶段性唤醒变化表明机体对特定事件的反应，影响注意资源的可用性和P300测量(Kok, 2001; Polichand Kok, 1995)。

图3 P300波幅/潜伏期

2.4 刺激之间的间隔

图4显示了时间限制对P300振幅的影响，时间限制是目标到目标间隔(TTI)，刺激序列由发生在被检测目标之前的非目标(标准)刺激的数量定义(Gonsalvez andPolich, 2002; Gonsalvezet al., 2007)。这些发现反映了概率以及刺激序列对P300的影响(Squires et al.,1977; Woods and Courchesne, 1986)，因为，TTI决定了资源重新转向目标刺激的速度。相比于长的间隔，短的刺激间隔会诱发更小的P300波幅(Fitzgerald andPicton, 1984)。

图4 刺激间的时间间隔

这一理论解释得到了来自“单一刺激”范式的P300发现的支持，在该范式中，只有目标刺激在时间上是随机的和可变的(Mertens and Polich,1997a; Polich and Heine, 1996; Polich et al., 1994)。这个任务产生的P300可以与oddball范式所产生的P300媲美(Katayama andPolich,1996; Polich and Margala, 1997; Stru¨ber and Polich,2002)。地形定位方法已经证明了任务中具有类似的波形、振幅分布和偶极坐标(Croft et al., 2003;Tarkka and Stokic, 1998)。因此，即使目标刺激出现的概率是不变的，试次之间的时间间隔决定了P300的振幅。

2.5 记忆与P300

P300的定向反应起源和注意分配效应导致ERP通过评估回忆记忆来评估P300与回忆能力是否相关(Karis et al., 1984)。单词按顺序呈现并记录ERP。在一些序列中，一个单词的字体比其他单词的字体更大或更小，因此刺激的特殊性会影响编码，促进回忆记忆。在编码过程中被回忆的单词比不被回忆的单词诱发更大的P300波幅。然而，P300还会受到复述策略的影响，当个体采用死记硬背策略时，振幅更大(Fabiani et al.,1986, 1990)。当参与者使用详细策略，P300与回忆表现无关。

这些发现说明，改变刺激注意和需要基本记忆处理的任务影响P300振幅(Karis et al., 1984)。此外，随着任务处理需求的增加，记忆负荷的增加会减少波幅的大小，随后的注意资源投入使P300振幅增加([M10] Kok,2001; Wijers et al., 1989)。虽然地形图随注意力和记忆需求的变化而变化，但是对诱发晚期正电位的刺激的记忆要优于未诱发的刺激 (P[M11] aller et al., 1988; Rushby et al., 2002)。得到充分注意的词语刺激也被更好地识别，并与更大的P300振幅相关(Curran, 2004;Curran and Cleary, 2003)。此外，在序列位置范式中，编码机制与P300振幅密切相关。因此，刺激编码促进成功的记忆存储，从而促进刺激的提取和识别，增加P300振幅。

2.6 总结：P300振幅

早期对P300的解释强调刺激信息与概率序列。后续的研究阐述了注意资源分配的作用，从而揭示了任务加工过程中认知需求对P300的需求。TTI结果表明，相对快速的刺激诱发较小的波幅，而较长时间出现的目标刺激产生最大的振幅。这一框架与P300和目标刺激的注意加工之间的联系是一致的——这些现象似乎与记忆加工有关。

2.7 P300潜伏期

P300潜伏期被认为是反映了刺激分类的速度，与检测和评估目标刺激所需的事件成正比(Kutas et al., 1977;Magliero et al., 1984)。与振幅一样，P300潜伏期也会发生变化，表现为额叶区潜伏期较短，顶叶区较长(Mertens andPolich,1997a; Polich et al., 1997)。刺激和任务需求决定了P300延迟期和反应时间之间的关系，但延迟和反应时间之间关系的强度或敏感性因刺激-反应的兼容性和Stroop选择反应任务的不同而不同(Duncan-Johnson andKopell, 1981; McCarthy and Donchin, 1981)。与空间任务相比，语义任务会产生更大的P300延迟/响应时间的差异。此外，P300的潜伏期已经被用来度量心理活动产生的其他ERP成分(Renaultet al.,1982; Ritter et al., 1983)。因此，基于成分出现时间和反应时间的推断必须考虑刺激的类型和反应激活的决策过程(Duncan-Johnson,1981; Pfefferbaum et al., 1986; Ragot and Renault, 1981, 1985)。一项深入的研究发现，当反应很快时，P300对刺激和反应相关的加工都很敏感(Verleger, 1997)。这一结论已经演变成一种有趣的可能，即P300可能起源于刺激感知和对该事件的反应之间的神经联系(Verleger et al.,2005)。

P300潜伏期的个体差异与心理功能速度相关，即较短的潜伏期与更好的认知表现相关(e.g., Emmerson etal., 1989; Johnson et al., 1985; Pelosi et al., 1992a;Polich et al., 1983)。神经心理测试评估了被试分配注意力资源的速度，这种测试在P300潜伏期和认知能力之间产生最强关联性(Houlihan et al.,1998; Pelosi et al., 1992b; Reinvang, 1999)。P300的潜伏期随着儿童发展而不断减小(Howard and Polich,1985; Polich et al., 1990b)，随着年龄老化增加(Fjell and Walhovd, 2001; Polich, 1996)。潜伏期也会随着痴呆水平的增加而增长(O’Donnell et al.,1992; Polich and Corey-Bloom, 2005; Polich et al., 1986, 1990a; Potter andBarrett, 1999)，尽管很少有研究表明，脑损伤或疾病如何延长ERP时间(Bashore andRidderinkhof, 2002; Polich, 2004)。

2.8 总结：P300的潜伏期

P300峰值潜伏期与刺激评价的时间成正比，对任务需求敏感，并随个体认知能力的差异而变化。然而，大多数研究只报告了特定范式的单一峰值和响应时间，而不是一个更广泛的理论框架。对正常衰老和认知障碍的评估使用P300潜伏期，但地形时间变异、单个试次的变异、多个成分内峰以及缺乏临床指南，使得定义单个峰的基本测量问题变得复杂。

2.9 应用P300的特征

Oddball任务中P300波幅在05-0.8μ V之间，潜伏期在0.5-0.8 μ V (Fabiani et al., 1987; Polich, 1986; Segalowitz andBarnes, 1993; Walhovd and Fjell, 2002).延迟期抖动可能会影响振幅，但是对于oddball任务来说，这种影响相对较小(cf. Cohen andPolich,1997; Karniski and Blair, 1989; Michalewski et al., 1986)。相关强度受到超昼夜节律的影响，超节律会导致ERP的个体差异(Lin and Polich,1999; Ravden and Polich, 1999)。P300测量方法与临床分析一样可靠，可以评估认知能力，而且获得起来相对便宜(Polich and Herbst,2000)。

生物电信号是通过遗传传递的(van Beijsterveldtand van Baal, 2002)。同卵双胞胎的脑电图频谱特征非常相似(Lykken, 1974;Stassen et al., 1987)，并且在具有亲缘关系的个体中有强相似性(Eischen etal.,1995; Vogel et al., 1979a,b)。同卵双胞胎的P300是相同的，然而异卵双胞胎则不然，而不相关的对照组则不同(Katsanis et al.,1997;O’Connor et al., 1994; Polich and Burns, 1987)。P300的遗传性也可以通过亲缘关系来证明，P300可能是某种疾病表型的标记(e.g.,Carlson etal., 1999; Jeon and Polich, 2003; Porjesz et al.,2005)。

P300的遗传基础与性格特征如内向型/外向型、感觉寻求和冲动性的ERP发现是一致的(Gurrera et al.,2001; Stelmack and Houlihan, 1994)。虽然ERP测量和人格之间的关系还不清楚，但通常可以观察到与人格相关的觉醒水平和P300之间的个体差异：低觉醒的个体具有更小的P300(cf. Brocke,2004;Brocke et al., 1997; De Pascalis, 2004; Stenberg, 1992)。这种关系受生物学因素、范式差异以及精神病理学的影响(Iacono et al.,2002, 2003; Justus et al., 2001)。这些影响与个体注意资源能力的差异相关，而注意资源的能力可能源于神经递质功能的变异。

2.10总结：应用P300特征

P300振幅/潜伏期测量的可靠性、遗传和个体变量对解释个体ERP差异很重要。遗传因素强烈影响P300，生物决定因素促进成分的变异。虽然问题很复杂，但这种自然变化在研究中出现，这意味着P300背后的神经电路是单个中枢神经系统反应的基本生理属性

3 P3a和P3b的神经心理学

3.1背景

在没有任务的情况下，在一系列频繁的音调中出现的罕见的音调可以产生一个具有中央/顶叶最大振幅分布和相对较短的峰值潜伏期的正向波形。该成分被称为“P3a”，用来区别对目标刺激进行加工过程中产生的与任务相关的“P3b”成分(Snyder andHillyard, 1976; Squires et al., 1975)。在10-15%的正常年轻人中，可以在一个听觉的oddball任务中观察到P3a(Polich,1988)。这一结果说明子成分的产生存在个体差异。没有适当刺激的任务也可以诱发P3a波幅(Jeon and Polich, 2001)。

一些ERPs研究已经报告与P3a相关（图1c）。当感知到的新干扰物(狗叫，颜色形式等)出现在一系列更明显的刺激(音调，字母等)中，可以诱发出一个峰值潜伏期更短的P300(Courchesne etal.,1975; Knight, 1984)。这种电信号被称作“新奇P300”，这被解释为与海马体相关的额叶活动(Grunwald et al.,1998;Knight, 1996)。这是通过跨模式所观察到的(Fabiani et al., 1998; Yamaguchi and Knight,1991)。随着刺激的重复出现，新奇P300的振幅下降，因此它可能比P3b更直接的与定向反应相关(Fabiani et al.,1998; Yamaguchi and Knight, 1991)。

如果非新奇的重复刺激（音调，字母等）在一个三刺激的oddball任务作为干扰刺激呈现，那么No-go任务将诱发P300。被试对新奇的干扰物没有反应，只对目标刺激有反应(Kok, 1986;Pfefferbaum et al., 1985)。这种类型的干扰物产生的P300在中央/顶叶区域振幅最大(Falkenstein et al.,1999; Katayama and Polich, 1998)。该成分的地形分布比靶刺激的顶叶P300更为集中。尽管这一假说还存在争议，但是P3a与反应抑制机制更加相关(Azizian et al.,2006; Eimer, 1993; Falkenstein et al.,2000; Salisbury et al., 2004)。

3.2 P3a和刺激上下文

P3a、即新颖性P300的研究结果表明，非目标干扰物的类型和任务要求决定了成分振幅(cf. Donchin et al.,1997; Friedman et al., 2001; Gaeta et al., 2003)。从历史上看，用于诱发这些成分的实验范式促使人们认为它们是不同的，但当在三刺激oddball范式中评估任务难度这一关键因素时，这一观点被修正了。Katayama and Polich(1998)通过操纵不同的听觉目标和标准刺激之间的知觉辨别困难来改变需要注意资源的数量，用重复的音调作为干扰刺激。对于简单的任务，来自干扰物和目标的P300振幅在顶叶电极上最大;在困难任务中，来自干扰物的P300在额/中央电极上大于来自目标的P300。在所有条件下，顶叶电极上的目标和干扰诱发的振幅最大。分别对听觉和视觉非新奇的干扰刺激进行评估，都能观察到相同的结果。简单的识别任务产生类似于no-go任务中P300电位的头皮地形图，而困难的识别任务产生类似于新奇P300电位的P3a电位(Comerchero and Polich,1998, 1999; Hagen et al., 2006)。

后续的研究支持了这一解释，P3a，新奇的P300以及no-go的P300时同一成份的不同变异。Spencer et al.(1999)通过使用大电极阵列和主成分分析(PCA)，在听觉三刺激任务中比较了oddball目标P300和来自新分心物的P300。研究表明，新颖的P3与经典的P300不同。Simons et al. (2001)重复了原来的非新奇的听觉P3a和新奇的P300任务，使用PCA发现两个成分之间没有差异，并得出结论，该研究不支持以往关于P3a和新奇的P300之间的差异的研究。Polich 和 Comerchero(2003)比较了新奇的非重复颜色刺激和非新奇的重复蓝色方块。在这个简单的任务中，新异的刺激诱发了P300在中央区的最大分布，而非新异的刺激在中央区/顶叶诱发最大的P300，即与no-go的P300有相同的地形。Combs和Polich(2006)对当干扰物为白噪声、不同的新声音和高频音调时的听觉声道进行比较发现，它们获得了类似的结果：与音调干扰物相比，白噪声和新刺激产生的P3a成分在中央电极上更大。总之，研究结果表明，P3a、新奇的和No-Go的P300很可能是同一ERP成分的变体，在头皮地形图上有所不同。

3.3 理论观点

图5显示了三刺激范式中，使用困难目标/标准的辨别任务时120名健康年轻人的P3a和P3b数据。干扰物是一个大的黑白棋块，目标刺激是一个略大于目标刺激的蓝色圆圈（未显示）(Conroy and Polich,2007)。图5a说明了，由棋盘干扰物（粗线）引起的P3a和目标圆（细线）引起的P3b大于平均数，竖线表示峰值延迟和平均响应时间。图5b显示了干扰刺激（上）和目标刺激（下）的平均振幅和潜伏期的地形分布。P3a在中央达到最大值，而P3b有在顶叶达到最大值。两种成分的峰潜伏期在额叶较短，在顶叶较长。图5c显示了P3a(顶部)和P3b(底部)峰值潜伏期和每个电极位置的响应时间之间的相关系数的地形分布。P3a潜伏期与反应时间相关性较弱且广泛，而P3b潜伏期与反应时间在顶叶区呈显著正相关。

图5

结果表明，P3a和P3b具有明显的地形振幅分布。他们的头皮地形图潜伏期分布相似，但随响应时间的不同而不同。不同的刺激/任务情境可能会诱发地形变化，从而产生功能不同的重叠神经激活模式(Gaeta et al., 2003;He et al., 2001; Spencer et al.,2001; Yago et al., 2003)。这一观点与语境效应和熟悉效应调节新奇加工的观点是一致的:新奇刺激是指非重复刺激事件，而重复刺激则进行自上而下的加工(Ranganath andRainer, 2003)。因此，注意过程是如何被干扰刺激所吸引在新颖性P300和P3a有所不同(Demiralp et al.,2001; Hagen et al., 2006; Jeon and Polich, 2001)。由于干扰刺激没有得到行为上的反应，电位之间的地形差异必然反映了刺激驱动的属性，这些属性受任务需求操纵。从更广泛的刺激配置、概率或多个目标反应中产生的成分是否会产生类似的结果还不得而知。然而，考虑到迄今为止评估的相对简单的范式，我们推断刺激评价涉及注意力(P3a)，从而促进刺激上下文维护(P3b)，这与记忆有关。

3.4 P3a和P3b的神经起源

虽然过去的25年里，关于P300的研究已经取得了明显的进展，但是关于P300的产生的描述并不精确(Eichele et al.,2005; Linden, 2005; Soltani and Knight, 2000)。额叶病变的患者P3a振幅减小，但是P3b的顶叶振幅达到最大值。因此，前额叶完整性对于P3a是必要的(Knight, 1984;Knight et al., 1995)。此外，有局部性海马病变的患者表现为由新的干扰物引起的P3a振幅降低，而目标刺激引起的P3b成分正常(Knight, 1996)。在人类中使用深度电极对海马形成的研究表明，至少有一部分P300 (P3b)是在内侧颞叶产生的(Halgren etal.,1980; McCarthy et al., 1989)。然而，后续关于个体后侧颞叶切除手术的研究发现(Johnson, 1988b;Smith and Halgren, 1989)，以猴子以及颞叶严重受损的患者为被试(Onofrj et al., 1992; Rugg et al., 1991)，海马并不直接影响P300(Molna´r, 1994)。事实上，对未经手术干预的双侧海马病变患者的评估显示，与对照组相比，P300没有出现明显差异(Polich and Squire,1993)。P300振幅受颞顶叶结完整性的影响，因为它的缺失大大减小了顶叶上成分大小(Knight et al.,1989; Verleger et al., 1994; Yamaguchi and Knight, 1992)。这种联系意味着P3a和P3b象征着大脑额叶和颞叶/顶叶区域之间的回路(Knight, 1990;Polich, 2003;Soltani and Knight, 2000)。

图6是基于前人的研究结果的P3a和P3b神经心理学模型(Polich, 2003)。在oddball范式中，目标刺激与标准刺激被假设为启动额叶活动，该活动对任务的注意需求十分敏感(Pardo et al., 1991;Posner, 1992; Posner and Petersen, 1990)。fMRI和ERP研究发现，额叶活动用于探测罕见的或身体敏感的刺激(McCarthy et al.,1997; Potts et al., 1996;Verbaten et al., 1997)。当被试在加工刺激时，如果有足够的注意力，就会产生P3a。当随后的注意资源激活促进颞顶叶区域的记忆操作时， P3b出现(Bra´zdil et al.,2001, 2003;Knight, 1996; Squire and Kandel, 1999)。对灵长类动物的细胞记录研究表明，在配对样本任务中，由额叶激活的变化引起的信息被分到颞下结构，颞下结构标志着任务上下文的更新，使后续刺激继续呈现。因此，我们有理由认为P3a和P3b的产生源于额叶和颞叶/顶叶的激活(Ebmeieret al.,1995; Kirino et al., 2000)。

图6 P300的认知图形模式

感觉输入获得加工，由注意驱动的工作记忆变化引起的额叶激活产生P3a，记忆更新引起的颞叶/顶叶激活产生P3b。

这一观点与神经认知假设一致，即输入刺激会引发自上而下的注意力转换，自下而上的记忆驱动指导反应的组织和产生(cf. Debener et al.,2005; Escera et al., 1998; Goldstein et al., 2002)。fMRI和ERP研究表明，额叶的注意机制影响对新颖刺激的神经反应(Daffneret al.,2000a,b,c; Suwazono et al., 2000),因此意味着自上而下的控制(Bledowski et al.,2004a; Dien et al.,2004; Kiehl et al., 2005; Opitz, 2003; Opitz et al., 1999)。顶叶用于维持刺激记忆的注意资源可能来可能是响应组织自下而上处理产生的结果(Conroy andPolich,2007; Nieuwenhuis et al., 2005; Verleger et al., 2005)。综上所述，刺激特征和任务需求是干扰刺激评价的决定因素，并决定了在头皮上观察到的不同地形(Berti et al., 2004)。

3.5 总结：P3a和P3b的神经心理学

不同P300电位的功能和神经心理学研究表明，由干扰刺激引起的P3a、新异的P300和No-go是同一成分的变异。这些干扰成分之间的差异来自于注意机制在评估传入刺激时自上而下监测的变化。对这些刺激事件的加工所产生的P3b与上下文更新操作和随后的记忆存储相关。一个主要问题是记忆存储与P300存在何种相关。大量关于记忆的ERP研究产生了复杂的结果，在这里我们只做简单的陈述。这些研究依旧支持记忆存储保持产生P300成分，尽管目前尚未出现一个全面的观点。

4 神经药理学的P300

4.1 双递质假设

P300的神经递质系统涉及多种机制，目前尚不明确(Frodl-Bauch et al.,1999; Hansenne, 2000)。然而，目前的数据表明，P3a与额叶注意与工作记忆相关，并且受多巴胺调节，P3b与颞顶叶活动有关，在颞顶叶中可以找到密集的去甲肾上腺素(cf. Braver andCohen, 2002; Nieuwenhuis et al., 2005; Pineda, 1995; Pineda et al., 1989;Polich and Criado, 2006)。

图7说明了自然神经药理干预的例子(Poceta et al.,2006)。使用三刺激范式以对对照组、肢动症患者和帕金森病患者的P3a和P3b数据进行对比。肢动症被认为是由多巴胺能缺陷引起的，而帕金森氏症患者的这种缺陷更大(Trenkwalder andWinkelmann, 2003)。地形图显示，在对照组中，干扰刺激引起的P3a最大，而肢动症的患者的P3a是下降的，在帕金森患者中P3a几乎消失。对照组和不宁腿患者的P3b相当的，但对于帕金森患者则大大降低. 这些数据表明，至少P3a和部分P3b受到多巴胺能活性的影响(Polich and Criado,2006)。

图7 来自干扰物和目标刺激的地形图

一些研究表明，儿茶酚胺能调节额叶P300 (P3a)产生:(1)多巴胺水平降低的帕金森病患者的P300降低(Hansch et al.,1982;Stanzione et al., 1991)；(2)多巴胺拮抗剂舒必利使低振幅被试的P300升高，使高振幅被试的P300降低(Takeshita andOgura, 1994)；(3)药理研究发现多巴胺能调节P300波幅和潜伏期(Hansenne et al.,1995; Wang et al., 2000)；(4)酒精中毒高危儿童表现出多巴胺的遗传差异和P300振幅的缺陷(Hill et al., 1998)，这可能与酒精中毒有关(cf. Hesselbrock etal., 2001; Hicks et al., 2007)。

关于P300的药理学研究发现，蓝斑-去甲肾上腺素(LC-NE)系统是产生顶叶P300 (P3b)的基础，用于目标检测任务(Nieuwenhuis et al.,2005)。由于目前研究主要来源于大鼠、猫和猴子的ERP，因此，在评估这些结果时需要考虑范式和任务表现的差异。而LC-NE促进P300的产生与人类的注意资源分配和唤起相关效应是一致的，颞顶叶区域的地形LC-NE激活也与P300的总体特征一致(Aston-Jones andCohen, 2005)。

4.2 总结：P300的神经递质

鉴于额叶/ P3a和颞叶/P3b起源分别与多巴胺和LC-NE活性有关，摄入急性和慢性药物的个体的ERP差异可能与递质响应性变化有关。解决这些问题的一种方法是测定急性药物摄入前后的ERP效应，并对慢性药物使用频率不同的个体进行比较。如果P3a和P3b的地形分布随着急性和/或慢性药物使用而发生变化，则可以作为开发评估药物效果的指标。人类的神经药理学ERP研究难以开展，刺激/任务考虑(提示反应性、表现的多样性、反应难度)、神经生物学变量(昼夜节律、剂量水平、性别差异)、实验处理的挑战(测试前剥夺、重测可靠性、任务疲劳) 和必要的对照组(不使用药物，只使用目标药物以及使用频率/使用数量)，都可能影响研究结果。研究ERP的神经化学基础有助于进一步了解其神经生理机制，并具有重要的临床应用价值。

5 P300是做什么的

P300是由与注意力和记忆操作相关的大脑过程网络产生的。然而，对这种电生理现象提出一个单一的、全面的解释是困难的，主要是因为P300在任何需要刺激辨别的任务中都能被观察到——刺激辨别是决定认知的许多方面的基本心理事件。P3a和P3b子组件之间的区别阐明初始和后续P300过程之间的交互。

5.1 P300作为抑制：一种假说

考虑到P300的性质，与注意力和记忆相关的神经电事件的产生可能是由抑制外来大脑激活的大脑机制所引起的。这一假设的含义是，P300及其潜在的子过程可以反映正在进行的活动的神经抑制，以促进刺激/任务信息从额叶(P3a)到颞顶叶(P3b)的传输。因此，外部刺激加工的最小化可以促进传入刺激信息从额叶到颞顶叶的转移，从而增强记忆操作。这种推测被广泛的神经生理学研究以及以前的实验研究支持(Friedmanet al.,2001; Knight and Nakada, 1998; Nieuwenhuiset al., 2005; Ranganath and Rainer,2003)。尽管结果是多样的，这种抑制假说在认知上包含了使用单一机制的综合发现。

抑制假说与上述P300的功能描述一致: (1)由于不频繁、低概率的刺激具有重要的生物学意义，抑制不相关的活动以提高处理效率，从而产生较大的P300振幅。(2)具有高认知需求的困难和双重加工任务限制了注意资源，使抑制性控制受到抵制，从而产生更小的P300成分。(3)唤醒会调节神经抑制的水平，因为它决定了任务执行可获得的注意力资源的数量，从而影响P300测量。由于内源性觉醒水平是人格特征间的主要差异，该方案也可以解释个体间的ERP差异；(4) P300峰潜伏期与认知能力指标(抑制外部过程的快速性)之间的关系与智力有关；(5)随着年龄的增长和痴呆的出现，P300波幅的下降和潜伏期的延长是由于抑制信号的皮层过程被破坏；(6)假设的P3a和P3b的神经递质系统与抑制假说相一致，这些神经化学效应通过影响抑制信号来影响P300。因此，当获得注意的刺激被检测并参与到记忆操作时，一般的神经抑制方法作为——潜在的P300生成机制发挥作用。

图8给出了这些过程发生的示意图。当工作记忆的内容发生变化时，需要注意的刺激引起P3a。这些事件与P3b产生和随后的记忆存储相关区域的神经活动相关。如果产生的ERP波形来源于刺激和任务处理产生的抑制信号，那么一个主要的问题是P3a信息如何传输到用于产生P3b的结构(如图黑色箭头所示)。对灵长动物的研究发现，额叶注意和工作记忆过程输出到颞叶/顶叶，在人类中也有颅内和神经成像记录的发现(cf. Bra´zdil etal., 2001,2003; Desimone et al., 1995; Halgren et al., 1998; Simons and Spiers,2003)。额叶和颞顶结构之间的神经电连接可以调节头皮的P3a和P3b活动。如上所述，P300数据可以通过抑制调节的方式纳入。

图8 P3a和P3b的大脑激活模式的图示表征。该模型表明刺激信息保存在额叶工作记忆中，并由前扣带结构监测。当标准刺激的焦点注意被发现的干扰物或目标(从任务要求中自动或有目的地获得注意的刺激)干扰时，P3a可能是由前扣带和相关结构的激活模式产生的。注意力驱动的神经活动信号可能被传递到颞顶叶区。与记忆相关的存储操作被激活，P3b通过颞/顶叶皮层结构产生。从ERP波形和向右的箭头可以看出，每个“P300”由P3a和P3b组成。但产生的ERP头皮地形随刺激和任务条件的不同而不同。

图9表明，与左半球相比，右半球更加活跃。右脑额顶叶有注意网络，因此右脑有更大的激活水平(Posner and Dehaene,1994)。这些成像结果支持了在一项oddball的任务中，与左额叶/中央区域相比，右侧的P300振幅更大(Alexander et al.,1995, 1996; Mertens and Polich, 1997b)。额叶到颞叶/顶叶之间的交流似乎通过胼胝体传播，从而影响ERP的形态(Barcelo et al.,2000; Baudena et al., 1995; Satomi et al., 1995)。这一通路导致了利手性组之间的P300差异:左撇子比右撇子有更大的胼胝体通路(Driesen and Raz,1995; Witelson,1992)，与右撇子相比，左撇子的P300的振幅更大，潜伏期更短(Alexander andPolich, 1995, 1997; Polich and Hoffman, 1998)。综上所述，这些发现表明P300测量在半球上与fMRI激活模式相似。

图9

5.2 P3a与P3b的神经基础

传统的ERP分析是通过评估显著峰值的振幅和潜伏期。主成分分析(PCA)和独立成分分析(ICA)等程序基于ERP数据的数学转换，可以用于分离同时发生的功能不同的事件(Kayser and Tenke,2003, 2005; Makeig et al., 2004)。相比之下，EEG/ERP频域分析显示，特定频率范围内的脑电节律与认知加工和行为存在功能性相关(Anokhin et al.,1999; Bas ar et al., 1997; McEvoy et al.,2000; Pfurtscheller and Lopes daSilva, 1999)。

这些方法是从Basgar的动物研究引入的，并且将类似的方法应用到对人的研究上。小波变换(WT)是一种有效的时频分解方法(Daubechies, 1990)，已被用于ERP研究上(e.g., Ademoglu etal., 1997; Kolev et al.,1997; Yordanova et al., 2000)。小波变换的主要优点是它的多分辨率，对高频采用较短的时间窗，对低频采用较长的时间窗，这一特性与ERP信号的结构特性非常匹配(Ademoglu et al.,1998; Samar et al., 1995)。

图10表明了当P3a是由一个困难的oddball任务产生时，小波变换被用来评估非新奇和新奇的干扰刺激(Demiralp et al.,2001)。在需要感知的识别任务中，两种类型的干扰物的地形图分布是相似的(cf. Combs andPolich,2006; Polich and Comerchero, 2003)。两种干扰类型的WT系数的谱密度图也很相似(详情见图标题)。然而，在P3a时间间隔内，新的视觉刺激比旧的视觉刺激产生了更多的θ波活动。此外，对一个oddball听觉任务中P3b的分析表明，认知变量强烈影响theta波的活动(Spencer andPolich,1999)。如果P3a源于干扰刺激引起的最初抑制激活，而P3b则反映了与记忆相关的随后抑制。

图10 (a)在三刺激oddball中使用的非新奇蓝方块干扰刺激和新奇干扰物的说明(Demiralp ，2001)。两个正方形都比较大(18平方厘米)，并显示在显示器上。蓝色方块总是相同的刺激，而新异刺激在形式和颜色上有所不同。(b)蓝正方形和新干扰刺激的平均P3a振幅的地形分布。(c)时频小波分析表示蓝方波和新干扰刺激。小波系数的振幅用颜色编码，颜色越亮表示光谱功率越大。

图11显示了来自正常年轻人的听觉P300振幅和潜伏期的慢α(8-10 Hz)频谱功率和平均频率测量之间的关系(Intriligator andPolich, 1994)。其他频率也显示出类似的关联，但较慢的α活性产生了最强的关联。

图11 上图：平均α与P300振幅对应；下图：平均α频率与P300潜伏期相对应

5.3 事件相关的去同步化和P300

Alpha抑制(或去同步化)是Berger(1929)首次观察到的。相位α事件相关去同步化(event-relateddesynchronization；ERD)可通过感觉刺激引起(Aranibar and Pfurtscheller,1978; Krause etal., 1994; Mann et al., 1996)。ERD源于快速非锁相振荡的减少，而P300由锁相Δ和θ波同步振荡组成(Bas ar-Eroglu etal., 1992; Kolev et al., 1997; Lopes da Silva, 1999; Pfurtscheller et al.,1996; Yordanova and Kolev, 1998a)。任务诱导的alpha频率具有特定的功能含义:缓慢的alpha ERD (8-10 Hz)与注意力相关，而快速的alpha ERD (10-12 Hz)与记忆相关(Klimesch, 2003;Schack et al.,2005)。ERD可以反映认知操作对alpha活动能力和频率的影响(Klimesch et al.,1998; Spencer and Polich, 1999; Yorda novaand Kolev, 1998b; Yordanova et al.,2000)。

图12总结了ERD的计算方法，并说明了alpha频率失活与P300振幅和潜伏期的关系(Yordanova et al.,2001).ERD测量从刺激后的晚期alpha中获得。ERD与P300 (P3b)有较强的相关性：(1) ERD启动与P300振幅呈负相关，发病时间越短，振幅越大。(2) ERD启动与P300潜伏期呈正相关，发病时间越短，潜伏期越短。(3)在被试之间观察到的同质可变性。假设ERD通过去同步起源与神经抑制有关，那么P300振幅和潜伏期可能来源于alpha频带失活。目前尚不清楚P3a是否受这一过程的调控，但P3b明显与后期alpha频率脑电图的去同步有关。

图12 上图：阐明了在听觉的oddball的ERP任务中通过计算刺激相关的α活动获得的ERPs与ERD；下图：ERD潜伏期与正常年轻人的P300振幅(左)和振幅(右)相对应。

5.4总结：P300与神经抑制

P300波形可能是认知机制参与到刺激和任务需求之中时，产生的神经抑制作用的结果。这种现象的电生理结构似乎与theta和alpha频段的活动和去同步化有关。这些激活模式也可能反映了γ波段信号的影响(Canolty et al.,2006)。值得注意的是，在这种情况下，θ和α频率与冥想效果——一种自我诱导的神经电抑制——有着强烈的联系(Cahn and Polich,2006)。因此，P300可能是刺激事件的神经元结果，可以抑制伴随的大脑活动，从而引导大脑机制产生的各种类型的注意和记忆操作。

6 结论

本综述试图通过整合P3a和P3b的背景研究来评估不同的P300。追溯了P300的历史发展，强调了与成分产生相关的功能、神经生理和神经心理机制，强调了神经影像学和神经药理学研究来证实P3a和P3b可能如何相互作用。实验结果和发展的理论视角表明，P300可能是由神经抑制活动来划分任务无关事件，从而塑造注意焦点和促进对目标刺激的记忆。

该模型假设“P300”包含一个早期注意过程，该过程来源于额叶工作记忆的变化，产生了P3a。注意所驱动的刺激信号随后被传递到与P3b相关的颞叶和顶叶结构。脑电图的基本变化与P300变异性有关，这与刺激处理的神经抑制假说是一致的。研究结果表明，theta和alpha活动可能支配P3a与注意和P3b与记忆之间的关系。