情绪对认知损害效应的脑成像研究

摘要

我们介绍了一种利用功能性磁共振成像研究情绪对认知产生不利影响的神经机制的实验方案。该方案可用于健康个体和临床受试者。

摘要

情绪可以通过产生以下两方面影响认知 增强 （例如，对情绪性事件的记忆更佳）以及 损伤 （例如，情绪分心增强）效应（详见综述于 ¹）。补充我们最近的实验方案 ² 描述一种可用于研究情绪对记忆增强效应的神经相关机制的方法（另请参见 ^{1, 3-5}），本文介绍了一种可用于研究情绪对认知产生负面影响的神经机制的实验方案。该方法的主要特点是能够识别参与“热”情绪加工的腹侧神经系统与参与“冷”认知控制的背侧神经系统之间活动的相互调节关系。热情绪 系统）以及参与较高级别“冷”认知/执行加工的背侧系统（ColdEx 系统），这些与认知表现及个体行为差异相关（详见综述于 ¹）。自从首次引入以来 ⁶该设计在揭示情绪干扰对认知功能（特别是工作记忆，WM）的不利影响及其神经相关机制，以及应对此类干扰的策略方面，已证明具有极高的灵活性和广泛影响力。 ^7,11，在健康个体中 ^8-11 和临床参与者 ^12-14.

方案

一、任务设计、刺激材料与实验方案

1. 本方案的基本任务是一种延迟反应工作记忆任务，在记忆项目与探测刺激之间的延迟间隔期间，呈现新的与任务无关的情绪性和中性干扰刺激（任务示意图见图1）。参与者执行此任务时，同步采集事件相关功能磁共振成像（fMRI）数据。实际干扰刺激的乱序版本也可用作感知控制刺激，其具有相同的基本属性（如空间频率和亮度）。

图1. 带有干扰的延迟反应工作记忆任务的一般示意图（引自⁶，经许可）。在备忘信息中使用三张面孔，以充分激活背侧执行系统；使用成对的新颖干扰刺激，以增强情绪干扰对工作记忆（WM）表现及脑活动的影响。还可通过彩色呈现图片（图中未显示）以及将具有相似情绪和语义内容的干扰刺激配对，进一步增强情绪干扰的影响。在此背景下，应注意确保情绪性和中性图片在亮度和空间频率等基本属性上相匹配¹⁵，以避免引入潜在的混杂因素。要求受试者在持续处理干扰刺激的同时，将注意力集中在工作记忆任务上，并通过按压反应按钮（1 = 旧，2 = 新）对探测刺激做出快速且准确的反应。刺激呈现采用CIGAL软件（http://www.nitrc.org/projects/cigal/）。备忘信息和探测刺激可采用彩色或黑白形式呈现。

2. 建议备忘录中面孔的性别比例应保持均衡，即男性（50%）和女性（50%）各占一半。同样，也建议在其他方面保持类似的均衡比例。 衰老 （50％）和 新 （50%）的探测图像。通过改变这些比例和/或调节其他因素，可以调整工作记忆任务的难度，例如：同一记忆材料中各面孔之间面部特征的相似性，以及它们与探测图像的相似性；和/或通过操控记忆材料中额外面部特征（如配饰、背景等）的有无（参见视频）。除了面孔外，其他类型的刺激也可用作记忆材料和探测刺激。 ⁹.
3. 建议每个条件下进行 30-40 次试验 ^{6, 11} 可与该设计配合使用，尽管由于其作为“慢节奏”设计的稳定性，即使试验次数较少，也能获得稳健的fMRI信号（参见补充材料）。 ⁶）。这使得fMRI数据的采集可在约1.5–2小时内完成，适用于健康受试者和临床受试者。尽管该设计因相比“快节奏”设计所能包含的试验次数相对较少而略有劣势，但其优势在于能够获得更稳定的单次试验fMRI信号，并更好地分离与各个试验及试验内刺激/阶段相关的信号，这对于功能连接分析也具有优势。
4. 分心物类型的多样化也增强了该设计的灵活性，可根据研究目的和目标人群进行调整。原始设计中的情绪性和中性分心物 ⁶ 从国际情感图片系统中选取 ¹⁶，但使用其他可有效作为干扰刺激的新颖刺激物也能获得类似效果 ¹²和/或通过提高工作记忆任务敏感性的操作（例如，同时评估参与者对其反应的信心）来检测行为差异 ¹¹.
5. 例如，在一项针对战后退伍军人（患有或不患有创伤后应激障碍（PTSD））的近期研究中 ¹²，用于诱发一般性负面情绪的IAPS图片被替换为与战斗相关的图片。这些图片预期可诱发与战斗相关创伤更为特异的情绪反应，因此在接触过战斗环境的群体中（尤其是PTSD组）可能更有效地作为干扰刺激。此外，也可使用诱发特定负面情绪（如焦虑）或正性情绪的刺激作为干扰物。例如，呈现恐惧表情的面孔可能诱发社交焦虑，从而有效用于研究短暂性焦虑诱导干扰对工作记忆（WM）的影响 ¹¹此外，正性干扰物也能产生类似的效果 ¹⁷.
6. 最后，结合其他测量指标（如与行为和人格相关的指标），该范式还可用于研究脑活动与个体在影响此任务认知表现的多个方面所存在的差异之间的关系。 ^{8, 10, 11}.

二、扫描前受试者的准备

所有参与者在进行实验方案前均应提供书面知情同意书，该方案须经伦理委员会批准。

进入扫描室之前

1. 扫描当天，需评估参与者当前的情绪状态，以控制情绪对带干扰工作记忆任务的影响。结合扫描后的评估，这些初步评价还可用于筛查参与研究导致的情绪变化¹¹。
2. 扫描前，应向参与者详细说明扫描流程，并提供行为任务的具体指导。参与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

3. 受试者仰卧于扫描床上，头部可额外加垫以确保扫描过程中的舒适性并减少移动。为进一步减少头部运动，可用一段胶带的非黏性面轻轻缠绕于受试者前额。受试者需佩戴耳部保护装置以及隔音耳机，以便在磁共振成像（MRI）扫描期间与实验人员进行沟通。
4. 将受试者的右手舒适地放置在反应盒上。在开始数据采集前，必须确认反应按钮工作正常，并确保受试者能够清晰看到用于呈现刺激的屏幕投影。同时在附近放置紧急停止按钮，以便受试者在需要立即停止扫描时发出信号。

扫描会话结束后

5. 可使用其他任务进行进一步的行为评估——例如，通过评定干扰物的情绪效价/强度和/或受试者主观感知的干扰程度，来确定参与者对干扰物的敏感性。这些评分可用于验证扫描过程中使用的情绪刺激的主观感知是否与文献中已报道的结果一致，同时个体在评分上的差异也可用于探讨其对情绪损害认知功能的神经机制的影响^{6, 8}。
6. 若在MRI扫描前未进行相关评估，则可在扫描后对人格特质（如特质焦虑、情绪反应性）进行评估¹¹。

III. 数据记录与分析

扫描参数

在最初的研究⁶中，我们使用4特斯拉的通用电气（General Electric）MRI扫描仪采集MRI数据；但在该任务的近期版本中，我们也成功地使用1.5 T扫描仪采集了MRI数据¹¹。在4T扫描仪中，采用轴向逆螺旋脉冲序列（TR = 2000 ms；TE = 31 ms；视野 = 256 × 256 mm）获取30个功能层面（体素大小 = 4 × 4 × 4 mm），从而实现全脑覆盖。类似地，在1.5 T扫描仪中，采用轴向回波平面序列（TR = 2000 ms；TE = 40 ms；视野 = 256 × 256 mm）获取28个功能层面（体素大小 = 4 × 4 × 4 mm）。同时，还以轴向采集高分辨率结构图像（面内分辨率为1 mm²；解剖-功能比例为4:1）。

数据分析

我们结合使用统计参数映射（SPM：http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）和基于Matlab的内部开发工具。预处理包括常规步骤：质量控制*、TR对齐、运动校正、配准、标准化和平滑（使用8 x 8 x 8 mm的核）；*基本质量控制包括对数据进行视觉检查，以检测受试者的明显运动以及数据中与运动相关的伪影，同时识别MR信号中出现异常尖峰的图像体积。个体和组水平的统计分析包括根据干扰类型（情绪性干扰 vs. 中性干扰）对脑活动进行比较。此外，还可进行脑成像数据与分心倾向的主观或客观测量指标（如情绪性和分心程度评分以及工作记忆表现）^6,8,11 和/或反映人格特征的评分（如特质焦虑）¹¹ 之间的相关性分析，以探讨脑活动如何随这些测量指标的个体差异而变化。在我们所有使用该方案的研究中，分析通常重点关注干扰刺激呈现期间延迟间隔阶段所观察到的脑活动，但也可分析与其他事件（如探测刺激）时间锁定的脑活动。

四、代表性结果

图2. 在情绪干扰存在时，腹侧与背侧脑系统活动呈现相反模式（引自⁶，经许可）。情绪干扰物引起腹侧情感脑区（红色区域）活动增强，例如腹外侧前额叶皮层（vlPFC）和杏仁核（未显示），同时导致背侧执行脑区（蓝色区域）活动减弱，例如背外侧前额叶皮层（dlPFC）和外侧顶叶皮层（LPC）。中央图像显示了最具干扰性与最弱干扰性条件（即情绪性 vs. 扰乱图像）之间直接对比的激活图谱，叠加于右半球外侧面高分辨率脑图像上。脑图像底部的彩色水平条表示激活图谱中t值的梯度。线图显示了代表性背侧和腹侧脑区（由彩色编码箭头指示）的活动时间进程。x轴上方的灰色矩形框分别表示记忆项目、干扰物和探测刺激的起始与持续时间。FFG = 梭状回。

讨论

该实验设计首次提供了脑成像证据，表明情绪干扰对正在进行的认知过程的不利影响涉及HotEmo腹侧神经系统的与ColdEx背侧系统之间的相互调节。这种背侧-腹侧的功能分离与情绪干扰存在时工作记忆（WM）表现受损相关⁶，已在正常人群^8-11、临床人群^12-14以及其他状态异常条件下（如睡眠剥夺¹⁰和应激¹⁸）被系统性地重复验证。尤为重要的是，这种效应特异性地出现在正性和负性情绪干扰条件下¹⁷，而在中性干扰条件下则未观察到^{8, 19}。鉴于其广泛的适用性，该实验范式及其变体可用于研究健康人群和临床人群中应对与调节情绪干扰的神经相关机制。在后者群体中，该范式有助于识别焦虑障碍中观察到的情绪干扰效应加剧的潜在机制，这类障碍通常伴随情绪易分散性的增强（例如创伤后应激障碍、社交恐惧症）^12,20。该实验范式成功的关键在于能够同时探测与情绪和认知相关的脑区活动及其相互作用，并可根据研究目的灵活调整以确定情绪干扰的特异性。