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决定与行动的边界:频率功率的效应体选择性偏侧化是由印刷词的词汇频率调节的

2022-01-14 10:49:00 发布者: 查看:
本研究通过评估语言变量对脑电运动反应激活指标的影响,探讨了词汇决策任务中从认知决策阶段到运动反应执行的离散和连续加工过程。

1、研究背景

目前的计算和神经科学决策模型认为,上游决策阶段和下游运动反应执行过程之间存在离散的、连续的加工差异。在基于语言词汇的决策研究中,认为词频是决定词汇决策的主要因素之一。作为指向已有词汇表征的指针,通常被认为通过正字法词汇表征的激活水平影响决策阶段,并在扩散模型的框架下,通过词汇证据积累的速度。相反,手-动作和心理状态动词的对比,解决了当刺激的语义表征涉及效应者参与反应时、概念加工对反应执行的影响。有证据表明,动作词,尤其是动词,可以以躯体化的方式激活运动皮层,指向跨多个神经集合的分布式和交互式意义表征。语义加工的神经科学模型始终认为,概念知识包括多模态感觉运动信息,这些信息被整合在超模态中枢内或收敛区。尽管语义驱动的感觉运动加工对运动行为的反应仍存在争议,但有证据表明,动作语义的加工可以在反应通道中反映出来。对明确区分决策和运动阶段的假设提出挑战的实证研究大多集中在涉及知觉和感觉决策的感觉运动任务上。然而,依赖于语言刺激的决策提供了在基于符号输入的高阶处理环境中评估从决策到行动的过渡的可能性。为在语言刺激、单词和假单词的双选择强迫选择任务中考察这一框架,于是本研究通过评估语言变量对脑电运动反应激活指标的影响,探讨了词汇决策任务中从认知决策阶段到运动反应执行的离散和连续加工过程。设计了两个词汇决策实验,一个比较高频率词和低频率词,另一个比较手-动作动词和心理状态动词。

 

2、研究方法

2.1、被试

30名意大利母语被试(18名女性,M=24.47,SD=4.95),右利手,视力或矫正视力正常,无神经问题或学习障碍史,签署实验知情同意书,实验结束后给予被试学分或金钱奖励。

2.2、实验材料

选取50个高频名词(如,“month-月”和“church-教堂”,意大利语翻译)和50低频名词(如“breeze-微风”和“cork-软木”意大利语翻译),创造了100个假词,假词符合意大利语中的语音规则,假词的长度与真词的长度相当。

选取54个专注于手-动作语义的动词(如,to caress, to clap),54个专注于心理-状态(如,to think, to ignore)的动词。动词由23名被试进行7分制评估,两种词语之间存在差异。创造108个动作假词(如,-are,-ere,-ire)。假词的长度与真词的长度相当。

词语来自频率类别的单词数据库,在心理语言变量上具有可比性。

表1 两个实验中不同刺激类型的心理语言变量

脑电实验设计变量 

2.3、实验过程

首先要求被试完成一份收集人口统计信息的问卷。然后,在佩戴脑电图帽之后,按照被试间平衡的顺序,依次进行两个词汇决策实验。这两个实验程序相同,并且只根据刺激因素而改变。

刺激呈现通过E-Prime 2.0软件进行实现。被试坐在电脑屏幕前的扶手椅上,距离电脑屏幕约40CM,要求被试将字母串分类为单词或伪单词,用右手或左手按压反应手柄上的拇指按钮。每个实验被分成两个部分。刺激类型(单词和假单词)和反应手(左手和右手)之间的映射在两个组块上被逆转,每个被试对每一类刺激都有相同数量的左手和右手反应。两种刺激反应的手映射顺序是平衡的。在每个组块之前,进行8个试次的练习。在每个组块内,被试根据自己的节奏进行休息。整个实验过程(包括两个实验)持续约40分钟,刺激字号和字体分别设置为大写14点Courier New在黑色背景下的白色呈现。实验开始时,先出现“+” 800ms,然后目标字符串在屏幕上持续1500ms或直到作出反应。紧接着,屏幕上显示一个闪烁刺激,2500ms,告知被试尽可能只在这段时间内眨眼。试次间被一个持续300ms的空白屏幕隔开。

2.4、数据采集和处理

使用ANT Neuro的eego sports 系统记录大脑信号,采用64导联采集,并根据国际10-10系统放置,在线参考电极为CPz,采样率为1000Hz(直流滤波为260Hz),记录左眼水平眼电信号,所有阻抗降到20KΩ以下。在双手际隆起处放置相对相距约2cm的双极电极,记录短拇指屈肌的肌电活动。

EMG数据为高通(10Hz)和陷波(50Hz)滤波,提取刺激锁定周期(-600-1500ms)。肌电开始采用自动算法检(通过计算Hilbert变换平滑实现)。结果被转换成z 分数,基于整段时期活动的平均值和标准差。该算法价将z>1的至少50个样本中的第一个标记为肌电活动的开始。在原始EMG数据上目测检查起跳,以及算法检测明显失败的起跳,部分错误的起跳(最终正确反应之前,错误反应手的隐性激活),或者错误的开始(在最终反应之前,正确反应手的多次隐性激活)都被标记为拒绝(5.06%的试次)。

EEG经过带通(0.1-70Hz)和陷波(50Hz)滤波,提取目标出现前800ms到目标出现后1850ms的时期。为了获得更长的时段,对感兴趣的时间窗进行适当的时间频率分解。噪声通道通过球面插值法进行插值,所得数据进行全脑平均来转换参考(不包括EOG、M1和M2)。先去除过度噪声的伪迹,然后进行独立成分分析,并去掉blink对应的成分,然后再去除剩余噪声时段。此外,剔除行为反应不正确的时段和在肌电起跳检测中标记的时段。平均而言,在两个实验中,13.51%的时段被去除,每个实验条件平均留下45.54个时段(高频:M=48, SD=4.33;低频:M=47, SD=4.89;手动动词:M=45, SD=4.03;心理状态动词M=43, SD=3.52)。用减法计算刺激前基线(目标出现前200-0ms)。最后,提取响应锁定时间(以肌电开始为中心的-1000 - 350ms)

ERP分析:为了分离对侧负电位和同侧正电位,将左半球电极记录的右侧反应活动与右侧电极记录的左侧反应活动进行平均。对称地,在左侧电极记录的活动与右侧电极记录的活动在右侧电极记录的活动进行平均。LRP计算方法是将同侧活性从对侧活性中减去。根据以往研究,时域分析仅限于C3和C4电极记录的活动。

时频分析:计算单试次时频表征,频率步长为2 Hz(从2-34 Hz),时间步长为10 ms,并使用500 ms Hanning窗。分别对反应手和同侧和对侧点的振荡功率进行平均,在每个被试和每种条件下,通过用对侧减去同侧并标准化来计算振荡功率的侧化。

所有EEG信号和EMG信号基于MATLAB中ERPLAB和FieldTrip工具箱进行。

统计分析:

①使用线性混合效应模型对时间进行分析,使用广义混合模型对反应正确率进行行为分析(在R中用Ime4)。肌电开始和反应时分析只包括成功探测到的正确反应。准确性分析(正确vs错误)包括所有的反应,而不管他们的神经生理特征。所有模型都包含了由被试和由项目(即每个单词刺激)随机截取的信息。使用对数似然检验来评估固定效应的显著性,以比较具有被检查固定项的模型与仅具有随机效应结构的零模型。

②脑电信号分析采用聚类排列试次,即分析时域LRP的振幅和运动反应准备的侧化电位 (高频率词vs低频率词;在肌电信号出现-200-100ms之间,对每个样本进行了一系列配对t检验,对手-动作和心理-状态动词进行了比较。超过预定义阈值的t值(p< .05),并将其作为时间邻近关系的函数聚合成簇。然后,通过对已识别的聚类中包含的所有t值进行求和来计算聚类统计。聚类p值最终是在t值零分布的基础上通过排列(n=1500)获得的。

3、实验结果

行为结果:

平均EMG开始时间、反应时间、正确反应比例 

图1 .行为结果:不同词频和不同词类型的平均EMG开始时间、反应时间、正确反应比例

(图1解释:黑点表示平均分数,误差条表示个体间的95%置信区间。较小的灰色点代表个体平均值,用线连接来自同一被试的观察结果。HF:高频;LF:低频;prop:比例)

与只包含随机效应的零模型相比,一个词频的固定效应显著。高频相对于低频,反应开始更快,正确率更高。

动作词义的固定效应不显著,动作词与心理-状态词没有显著的效应。

EEG数据:

C3/C4电极的ERPs 

图2 根据C3/C4电极的Laplacian变换数据计算反应锁定的ERPs

(图解:第一列,反应锁定LRP;第二列,与运动反应准备相关的侧化ERP。I:反应手的同侧(虚线);C:反应手的对侧(实线)。HF:高频,LF:低频)

结果显示:EMG锁定的LRPs显示,高频词和低频词之间没有显著差异,手-动作词和心理-状态词之间没有显著差异。EMG-锁定的ERPs结果显示,高频词和低频词之间没有显著差异,手-动作词和心理-状态词之间没有显著差异。

左右反应脑电对比图 

图3 来自于左和右反应的对比

(图解:(A)左、右反应的时间频率表征(功率),以肌电开始为中心,用它们的总和归一化(0;虚线)。轮廓区域突出时间样本和频率,确定为重要的聚类。(B)活动在10-22Hz之间,在-200-100ms的肌电锁定时间窗内,左和右反应之间的差异(由总和标准化)的地形图)

EMG锁定的beta功率偏侧化结果显示,与左右反应相关的活动,有显著。与同侧电极相比,反应手的对侧电极显示出更低的振荡功率。

脑电时频图 

图4. 不同词频和不同词类型条件下的时频分布

(图解:(A)侧化是通过从对应的对侧电极上记录的振荡活动减去反应手的同侧电极上记录的振荡活动,然后通过它们的总和归一化来计算的。轮廓区域表示聚类中p < .025的样本。虚线表示肌电信号开始的时间。C3/C4和CP3/CP4通道的侧化指标(分别为第1、3行和第2、4行)。C-I:对侧-同侧;HF:高频;LF:低频。(B)相对于整个肌电锁定时期(-700-100ms)的平均活动,在整个频率范围(12-30Hz)和选择的电极(C3/C4和CP3/CP4)的活动记录同侧(红色)和对侧(蓝色)。阴影区域代表SEM,Prop:表示比例。)

上图说明:高频词和低频词之间存在显著的差异。在EMG开始时,这些条件在振荡功率侧化方面的差异最大。在beta范围(18-22 Hz)的频率响应(大约从−80ms直到时段结束)。手-动作动词与心理-状态的比较没有显著差异。在两个实验中,除了高频词以外,所有类别的词刺激似乎都出现了相当明显的偏侧化,而同侧和对侧之间的beta功率振荡在预备反应中降低。

4、结论

①从词汇证据的积累到与反应相关的运动目标的实现,加工流具有连续性。而手-动作语义的概念加工对效应者选择性运动激活的LRP和ERP指标没有影响,但是LRP和beta偏侧化之间的分离为更好地定义频率效应的功能位点提供了可能性。

②词汇频率效应在效应者选择性偏侧化频率功率方面显著,同侧的beta功率随着词汇频率的增加而降低,高频词较强的同侧抑制可能反映了错误反应的依赖抑制。

③在由语言刺激驱动的决策过程中,以词语出现频率为指标的词汇将其影响传到高级效应者选择动作准备的实施上。

5、文献名称及DOI号

Scaltritti, M., Job, R., Alario, F.X., & Sulpizio, S.. (2020). On the Boundaries between Decision and Action: Effector-Selective Lateralization of Beta-Frequency Power is Modulated by the Lexical Frequency of Printed Words. Journal of Cognitive Neuroscience.

DOI:10.1162/jocn_a_01606

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