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方法文章

情绪增强记忆效应的脑成像研究

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DOI：

10.3791/2433

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2011年5月4日

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1Centre for Neuroscience, University of Alberta, 2Neuroscience Program, University of Illinois, Urbana-Champaign, 3Center for Cognitive Neuroscience, Duke University, 4Psychology Department, Neuroscience Program, & Beckman Institute, University of Illinois, Urbana-Champaign

本文内容

摘要

我们提出了一种利用功能性磁共振成像研究情绪增强记忆效应的神经相关机制的实验方案。该方案能够识别与记忆相关加工特异性相关的脑活动，区别于更广泛的感知加工过程，可用于健康人群和临床人群的研究。

摘要

情绪性事件通常比非情绪性事件更容易被记住1,2。认知与情感神经科学家的一个目标是理解情绪增强记忆背后的神经机制。在研究情绪对记忆的增强效应方面，一种被证明尤为重要的方法是所谓的后续记忆范式（subsequent memory paradigm, SMP）。该方法最初用于研究非情绪性记忆的神经相关物3，而近年来，我们及其他研究者也已成功将其应用于情绪性记忆的研究中（综述见4, 5-7）。本文描述了一种结合事件相关功能磁共振成像（event-related functional magnetic resonance imaging, fMRI）与SMP的方法，可用于研究情绪增强记忆效应的神经相关物。SMP的一个重要特点是，它能够将与记忆特异性相关的脑活动从与感知等更一般性加工相关的活动分离开来。此外，在研究情绪刺激影响的背景下，SMP有助于识别那些在一般/感知加工和记忆特异性加工过程中均易受情绪调节的脑区。该方案既可用于健康受试者8-15，也可用于存在情绪感知神经相关物改变及情绪事件记忆偏差的临床患者，例如抑郁症和创伤后应激障碍（post-traumatic stress disorder, PTSD）患者16, 17。

方案

1. 实验设计、方法学问题与刺激材料

SMP 包含两个任务，即编码任务和提取任务，脑活动记录可在编码任务期间或编码与提取两个任务期间进行（参见图1，以了解SMP设计的示意图）。

编码与提取示意图；记忆过程；编码成功（ES）、提取成功（RS）。
图1. SMP设计的一般示意图。在编码阶段，对随后被记住的项目比对随后被遗忘的项目表现出更强活动的大脑区域（R > F），与编码成功（ES）相关。类似地，如果基于提取阶段记录的大脑活动进行比较（Hits > Misses）来测量这种记忆差异（Dm）3，则可识别出与提取成功（RS）相关的大脑区域。

在使用带有情绪刺激的SMP进行研究时，必须考虑几个重要方面：

  1. 控制刺激材料的情绪属性（如情绪效价和唤醒度/强度）非常重要，因为它们对情绪感知以及情绪记忆具有不同的影响10, 26, 27。常用的情绪刺激包括国际情绪图片系统（International Affective Picture System, IAPS）23中的图片和英语情绪词标准化数据库（Affective Norms for English Words, ANEW）24中的词汇。IAPS图片和ANEW词汇在两个主要的情绪维度上进行了标准化控制：即效价（pleasantness或unpleasantness的程度）和唤醒度（情绪强度），这两个维度共同定义了刺激的情绪特性（见25）。情绪研究中另一类常用的刺激是带有情绪表情的人脸图像，例如来自“面部表情图片集”（Pictures of Facial Affect，http://www.paulekman.com）和NimStim（http://www.macbrain.org/）数据库中的人脸刺激。
  2. 其他可能影响记忆表现的操作因素也应考虑，这些因素有助于提升本实验方案的灵活性，包括：a. 编码任务类型的差异（即无意编码11, 13, 19或有意编码8, 20）；b. 编码过程中对刺激情绪内容的关注焦点（即以情绪特征8, 11或非情绪特征为主要关注点13, 19）；c. 提取任务的类型（即自由回忆8, 11或再认12, 20）。此外，刺激呈现时间也会影响记忆表现21，因此也应与上述因素一并加以考虑。
  3. 其他可能的混杂变量，例如情绪图片与中性图片中人物出现的频率以及视觉复杂性11，也应予以控制。
  4. 关键的是，所关注条件下的记忆表现应处于合理的范围内，以便对行为数据和脑成像数据进行公平的统计比较。例如，在我们的线索回忆任务中，被记住和被遗忘的试次数比例约为50%8, 11。然而，由于在二选一的再认任务中，该水平接近随机概率，因此预期总体表现水平应更高。在此情况下，可通过随机选取较少数量的“被记住”试次，使其数量与“被遗忘”试次相等，从而实现“被记住”与“被遗忘”条件之间的公平比较。此外，行为数据中应能观察到情绪对记忆的增强效应，表现为情绪性项目被记住的比例高于中性项目。
  5. 建议避免进行情绪诱导，因为这可能会影响实验表现22。可通过将情绪刺激伪随机化呈现来实现这一点，确保相同效价的刺激连续呈现不超过2至3个11。

2. 扫描前受试者的准备

所有受试者在进行实验方案前均提供书面知情同意书，该实验方案已获得伦理委员会批准。

进入扫描室之前

  1. 每位受试者在扫描开始前约45分钟完成问卷，以评估整体情绪状态和焦虑水平28, 29。这些初始评估将与扫描后评估结合使用，用于筛查参与研究后情绪/焦虑的变化情况。
  2. 完成问卷后，向受试者说明扫描流程，并提供行为任务的具体指导。受试者还需完成一次简短的练习环节，以熟悉任务内容。

进入扫描室

  1. 受试者需仰卧于扫描床上，头部可额外垫枕以增加舒适度，并提供耳部保护。此外，可将一段胶带的非黏性面轻轻缠绕在受试者前额，以帮助减少头部移动。
  2. 扫描开始前，将受试者的右手放置于反应盒上，并测试反应盒功能是否正常。在开始数据采集之前，还应确保受试者能够清晰看到屏幕投影。紧急停止按钮应置于受试者空闲手附近，以便其在需要立即停止扫描时使用。
  3. 在本研究中，刺激呈现采用CIGAL软件，这是一种自主开发的数据呈现程序30，但其他软件也可使用，包括E-prime、SuperLab、Presentation以及基于Matlab的Psychtoolbox。
  4. 根据我们的研究经验，建议涉及情绪刺激的扫描任务持续时间不应超过1小时，总扫描时间不应超过2小时；此外，在临床人群中的扫描时间应尽可能进一步缩短17。

3. 数据记录与处理

扫描参数

在Dolcos及其同事的原始研究中11，MRI数据使用一台1.5特斯拉的GE扫描仪采集。通过34张连续的梯度回波平面成像（EPI），实现全脑覆盖，该序列对血氧水平依赖（BOLD）对比敏感，扫描层面平行于轴向的AC-PC平面（TR = 3000 ms；TE = 40 ms；FOV = 642图像矩阵；FA = 90°；层厚 = 3.75 mm）。此处使用的扫描参数已证明非常适合检测内侧颞叶（MTL）结构的激活，但也可采用其他针对更高空间分辨率优化的扫描参数33-35。

扫描后操作步骤

  1. 受试者填写问卷以评估当前的情绪状态和焦虑水平；如果在扫描会话之前尚未完成，还可收集人格特质（如神经质、情绪易感性）的评估数据。
  2. 如果在扫描会话期间未记录提取活动，则提取任务可在扫描会话之后或稍晚时间进行。若尚未在扫描仪内完成，可使用情绪评分任务来评估受试者对刺激材料的情绪反应。通过这种方式，情绪性和中性类别的划分可基于受试者的评分结果，而非基于标准化评分。但该任务应在提取任务之后进行。
  3. 为最大化情绪对记忆的影响，编码与提取之间应至少间隔约20分钟18。然而，该间隔时间可以更长，从数分钟至数天、数周甚至数月不等，因为情绪对记忆的影响具有持久性，与中性记忆相比，情绪性记忆往往能更长时间地保持12, 13。

记忆任务

本方案主要关注一项使用提示回忆记忆测试11的研究结果，该测试中为参与者提供每张图片的言语提示，他们需书面写出所能回忆的图片细节。然而，也可使用其他提取任务。其中特别相关的是所谓的R-K范式31，这是一种记忆识别任务，参与者根据是否能够回忆出编码时的具体情境细节（“记得”反应），或仅有一种熟悉感（“知道”反应），对每个提取出的项目进行分类。结合fMRI和情绪性刺激使用该任务，不仅可分离基于回忆与基于熟悉感的提取各自的神经相关机制32，还能识别情绪对这两种提取类型及其相关神经机制的差异性影响12。

fMRI 数据分析

统计参数映射（Statistical Parametric Mapping, SPM：http://www.fil.ion.uc.uk/spm/）结合自主开发的基于Matlab的工具用于数据分析。预处理通常包括：质量控制、图像配准、运动校正、共配准、标准化和空间平滑（8 mm3核），但如果分析涉及解剖学定义的兴趣区域（ROIs），则不对数据进行平滑和标准化处理可获得更高的空间特异性（见11）。个体和组水平的统计分析基于后续记忆表现，比较编码/提取阶段的脑活动。情绪对记忆相关脑活动的调节效应可体现在情绪性刺激相比中性刺激引发更强的ES / Dm或RS活动的脑区中（见图2）。针对内侧颞叶（MTL）活动的研究有助于识别功能分离现象，这些分离与刺激的情绪内容（情绪性记忆 vs. 中性记忆；11）、所研究的记忆类型（项目记忆 vs. 源记忆；19）或提取任务类型（基于再认回忆 vs. 基于熟悉性；12, 36）相关。对MTL以外脑区的研究则特别关注前额叶皮层（PFC）区域，这些区域在情绪性记忆与中性记忆中表现出差异性参与10, 20。

情绪性与中性项目fMRI信号的柱状图；显示情绪对记忆编码的影响。
图2. 识别易受情绪调节的记忆相关脑活动。 除了能够识别对情绪调节敏感的记忆相关脑活动（EmoDm / RS > NeuDm / RS；即表现出情绪 × 记忆交互作用）外，该设计还可用于识别反映情绪对一般/感知加工影响的脑区[(Emotion R + Emotion F) > (Neutral R + Neutral F )；即表现出情绪的主效应]，以及记忆的整体效应[(Emotion R + Neutral R) > (Emotion F + Neutral F)；即表现出记忆的主效应]。

4. 代表性结果：

在情绪记忆研究中采用SMP已被证明有助于揭示情绪增强记忆效应的神经相关机制。记忆编码研究为调节假说37, 38提供了有力支持，发现情绪通过杏仁核（参与情绪加工的脑区）对记忆相关脑区（如内侧颞叶（MTL 11，见图3）和前额叶皮层（PFC10））活动的调节作用来增强记忆。此外，记忆提取研究进一步表明，调节假说同样适用于提取过程，并且不同的内侧颞叶区域在情绪记忆的回想式提取与熟悉性驱动提取中发挥着差异性作用12。

杏仁核活动分析：柱状图、相关性图、脑区三维模型、MRI结果。
图3. 调制假说的证据。 支持调制假说的结果表明，情绪对记忆的增强效应与杏仁核和内侧颞叶（MTL）记忆系统之间编码成功/记忆差异（ES/Dm）活动的增强（A）及其相互作用（B）相关（如C和D所示）。柱状图比较了从最大激活层面提取并经双侧半球平均后的情绪性和中性刺激在ES/Dm上的信号变化百分比。散点图显示了情绪性和中性图片在杏仁核与内嗅皮层中ES/Dm活动的共变关系。ES/Dm = 编码成功/记忆差异。经许可引用自Dolcos等11。

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讨论

本实验方案通过特异性分离出受情绪调节影响的记忆相关脑活动，以及在一般/知觉加工过程中易受情绪调节影响的脑区活动，从而研究情绪增强记忆效应的神经相关机制。该设计在推动我们理解情绪对记忆影响的神经机制方面发挥了重要作用。鉴于其灵活性，预计SMP（分离记忆与情绪加工的实验范式）将继续在阐明事件发生时存在的各种因素如何影响个体日后对事件记忆及其相关情绪的回忆与再体验能力方面发挥关键作用。此外，该方案可轻松调整，用于研究特定临床人群（如抑郁症和创伤后应激障碍患者）中常见的情绪加工与记忆偏差的神经相关性16, 17。成功应用SMP研究情绪记忆效应的关键在于充分考虑上述各种因素，包括可能影响编码和/或提取任务期间反应的实验操控。

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披露

未声明任何利益冲突。

致谢

FD 获得了国家精神分裂症与抑郁症研究联盟青年研究者奖和加拿大精神病研究基金会CPRF奖。

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参考文献

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