在視覺(jué)Oddball任務(wù)中快量化速光信號(hào)和事件相關(guān)信號(hào)的潛在關(guān)系

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研究背景

事件相關(guān)電位 (ERP) 曾用于確認(rèn)快速光信號(hào) (fast optical signal, FOS) 的存在，但驗(yàn)證方法主要限于探索 FOS 峰值與 ERP 峰值的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。本研究的目的是在時(shí)域和頻域中系統(tǒng)地量化 FOS 和 ERP 對(duì)視覺(jué)Oddball任務(wù)的反應(yīng)之間的關(guān)系。

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研究方法
 

2.1、被試

共15名有效被試被招募，其中男性5名，女性10名。
 

2.2、實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)包含視覺(jué)刺激。標(biāo)準(zhǔn)刺激為字母A,B,C,D，偏差刺激為愛(ài)因斯坦面孔圖片。
 

2.3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

每個(gè)參與者參加了 2 次測(cè)試，測(cè)試間最多相隔 30 天。測(cè)試時(shí)，參與者坐在一個(gè)光線昏暗的房間里，面對(duì)著顯示任務(wù)范例的電腦屏幕。每個(gè)測(cè)試以 30 秒的基線期開(kāi)始，在此期間，計(jì)算機(jī)屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)注視十字，然后是 10 個(gè)視覺(jué)Oddball任務(wù)block。每個(gè)block包含 100 個(gè)試次。20%的刺激為偏差刺激。每個(gè)block之間休息時(shí)間由參與者決定。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)流程。
 

2.4、數(shù)據(jù)采集和處理

使用頻域近紅外光譜儀（來(lái)自 ISS Inc., Champaign, IL 的 Imagent Functional Brain Imaging System）以 62.5 Hz 的采樣率收集 NIRS 測(cè)量值。使用定制的皮革頭帶將 690 nm 和 830 nm 波長(zhǎng)配對(duì)的五個(gè)激光二極管光源和 4 個(gè)光電倍增管探測(cè)器放置在參與者的前額上。頭帶上系著一塊黑布，以阻擋外界光線。源和檢測(cè)器位于 3 cm 距離處，如圖 2 所示。源-檢測(cè)器配置啟用了跨越前額葉皮層的每個(gè)波長(zhǎng)的 11 個(gè)測(cè)量通道。
 

實(shí)驗(yàn)需要分析來(lái)自 690 nm 和 830 nm 波長(zhǎng)源的相位延遲和 DC 強(qiáng)度 FOS 測(cè)量值。相位數(shù)據(jù)是使用快速傅立葉變換 (FFT) 獲得的，針對(duì)相位纏繞進(jìn)行校正，并參考相應(yīng)的 690 nm 和 830 nm 中間通道 C3，以獲得相對(duì)相位延遲數(shù)據(jù)。
 

EEG數(shù)據(jù)由250 Hz 的采樣率收集。六個(gè)電極放置在選定的 International 10-10 系統(tǒng)位置的 NIRS 頭帶周圍，參考電極位于乳突，接地電極位于 AFz（圖 2）。用雙面膠將電極放置在參與者的皮膚上。

圖2. NIRS源-探測(cè)器和EEG導(dǎo)聯(lián)分布。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

3.1、ERP結(jié)果

平均了100個(gè)試次ERP波形在偏差刺激出現(xiàn)后200ms出現(xiàn)正波峰，在300-500ms后出現(xiàn)負(fù)波（圖3）。

圖3. 100個(gè)試次的ERP平均波形
 

3.2、FOS結(jié)果

當(dāng)平均 400 個(gè)試次，DC 強(qiáng)度在偏差刺激呈現(xiàn)后 150 到 250 ms間降低。FOS 對(duì)偏差刺激的反應(yīng)發(fā)生在左側(cè)前額葉皮層通道中，也發(fā)生在一些參與者最遠(yuǎn)的右側(cè)通道中。
 

3.3、FOS-ERP的時(shí)間地標(biāo)相關(guān)性

在 9 名參與者中發(fā)現(xiàn)了FOS 和 ERP 偏差刺激的峰值之間的非零相關(guān)性；然而，僅在 7 名參與者中發(fā)現(xiàn)了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性（p < 0.05）。200 毫秒左右的 FOS 負(fù)峰與 6 名參與者的正 ERP 峰顯著相關(guān)。對(duì)于 1 名參與者，還發(fā)現(xiàn) 300 ms 處的負(fù) ERP 與 275 ms 左右的負(fù) FOS 峰值之間存在顯著相關(guān)性。
 

3.4、FOS-ERP 光譜關(guān)系

由偏差刺激引發(fā)的FOS 和 ERP 反應(yīng)的一致性在 3-5 Hz 頻率范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p < 0.01）。圖 3 顯示了 2-20 Hz 頻率范圍內(nèi)所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對(duì)的相干值示例。圖 4 中顯示了所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對(duì)于偏差刺激的響應(yīng)之間的大平均相干性。 

圖4. 2-20 Hz 頻率范圍內(nèi)所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對(duì)的相干值

圖5. 所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對(duì)于偏差刺激的響應(yīng)之間的大平均相干性

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結(jié)論

這項(xiàng)研究量化了視覺(jué)Oddball任務(wù)期間前額葉皮層中 FOS 和 ERP 反應(yīng)之間的相關(guān)性。通過(guò)NIRS 信號(hào)的直流強(qiáng)度測(cè)量，在 15 名參與者中的 10 名中發(fā)現(xiàn)了對(duì)偏差刺激的 FOS 反應(yīng)。使用相位延遲測(cè)量未發(fā)現(xiàn) FOS 響應(yīng)。在 FOS DC 強(qiáng)度和 ERP 對(duì)視覺(jué)的反應(yīng)之間的時(shí)域和頻域中發(fā)現(xiàn)了顯著的相關(guān)性。

Proulx, N., Samadani, A.A. and Chau, T., 2018. Quantifying fast optical signal and event-related potential relationships during a visual oddball task. Neuroimage, 178, pp.119-128.

DOI：10.1016/j.neuroimage.2018.05.031