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，在记忆项目与探测项目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（任务原设计示意图见图1）。参与者执行此任务时，同步记录事件相关功能磁共振成像（fMRI）数据。实际干扰刺激的打乱版本也可用作感知控制条件，其具有相同的基本属性（如空间频率和亮度）。

图1. 带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）。记忆材料使用三张面孔，以充分激活背侧执行系统；干扰物则采用成对的新颖刺激，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）以及配对具有相似情绪和语义内容的干扰物，进一步增强情绪干扰的影响。在此背景下，应注意在基本属性（如亮度和空间频率）¹⁵上对情绪性和中性图片进行匹配，以避免引入可能的混杂因素。要求参与者在持续处理干扰物的同时，将注意力集中在WM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/）。记忆材料和探测刺激可采用彩色或黑白形式呈现。

2. 建议备忘面孔的性别比例保持均衡，即男性（50%）和女性（50%）各占一半。对于旧（50%）和新（50%）探测刺激，也建议采用类似的均衡比例。工作记忆（WM）任务的难度可通过改变这些比例和/或调整其他因素进行调节，例如同一备忘录中各面孔之间的面部特征相似性及其与探测刺激的相似性，以及通过操控备忘录中额外面部特征（extra-facial features）的有无（另见视频）。除面孔外，其他刺激也可用作备忘录和探测刺激⁹。
3. 建议本实验设计中每个条件包含30–40次试验^{6, 11}，但由于其作为“慢节奏”设计具有良好的稳定性，即使试验次数较少，也能获得可靠的fMRI信号（参见⁶的补充材料）。这使得fMRI数据采集时间约为1.5–2小时，适用于健康被试和临床被试。尽管与“快节奏”设计相比，该设计可包含的试验次数相对较少，存在轻微劣势，但其优势在于能够获得更稳定的单次试验fMRI信号，并更好地分离与单个试验及试验内刺激/阶段相关的信号，这对功能连接分析尤为有利。
4. 干扰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干扰物⁶选自国际情感图片系统（International Affective Picture System）¹⁶，但使用其他能有效作为干扰物的新型刺激¹²，或通过增加工作记忆任务对行为差异检测的敏感性（例如同时评估被试对其反应的信心水平）的操作¹¹，也可获得类似效果。
5. 例如，在一项近期针对患有或不患有创伤后应激障碍（PTSD）的战后退伍军人的研究中¹²，原本诱发一般负面情绪的IAPS图片被替换为与战斗相关的图片。这些图片预期能诱发与战斗相关创伤更为特异的情绪，因此在有战斗经历的群体中（尤其是在PTSD组）可能成为更有效的干扰物。此外，诱发特定负面情绪（如焦虑）或情绪性正性刺激也可用作干扰物。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焦虑诱导性干扰对工作记忆的影响¹¹。同样，正性干扰物也能产生类似效应¹⁷。
6. 最后，结合其他测量指标（如行为和人格相关指标），该范式还可用于探究脑活动与影响本任务认知表现的多种个体差异之间的关系^{8, 10, 11}。

II. 扫描前受试者的准备

所有参与者在进行实验方案之前，均应提供书面知情同意书，且该实验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是否导致情绪变化¹¹。
2. 扫描前，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舒适并尽量减少移动。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在受试者前额。同时为受试者提供耳部保护装置以及隔离式耳机，以便在磁共振成像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屏幕投影以呈现刺激材料。附近还需放置一个紧急停止按钮，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期间使用的情绪刺激的主观感知是否重复了文献中已报道的效应，且评分的个体差异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. 若尚未在扫描前完成，可在MRI扫描后进行人格特质评估（如特质焦虑、情绪反应性）¹¹。

III. 数据记录与分析

扫描参数

在最初的研究中⁶，我们使用4特斯拉的通用电气（General Electric）磁共振成像仪采集MRI数据，但在该任务的较新版本中，我们也成功使用1.5 T的扫描仪采集了MRI数据¹¹。在4T扫描仪中，采用轴向逆螺旋脉冲序列采集30层功能性切片（体素大小 = 4 × 4 × 4 mm，重复时间TR = 2000 ms，回波时间TE = 31 ms，视野 = 256 × 256 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采集28层功能性切片（体素大小 = 4 × 4 × 4 mm，TR = 2000 ms，TE = 40 ms，视野 = 256 × 256 mm）。同时，还以轴向采集高分辨率结构图像（面内分辨率 = 1 mm²；解剖-功能比例 = 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/）以及基于Matlab的内部开发工具。预处理包括常规步骤：质量保证*、时间重复（TR）对齐、运动校正、配准、标准化和空间平滑（使用8 × 8 × 8 mm的核）；*基本质量保证包括对数据进行视觉检查，以检测受试者的明显运动以及与运动相关的伪影，同时识别磁共振信号中出现异常尖峰的时间点。个体和组水平的统计分析涉及根据干扰类型（情绪性干扰 vs. 中性干扰）对脑活动进行比较。此外，还可以将脑成像数据与分心倾向的主观或客观指标（例如情绪评分和分心倾向评分以及工作记忆表现）^6,8,11 和/或反映人格特征的评分（例如特质焦虑）¹¹ 进行相关性分析，以探讨脑活动如何随这些指标的个体差异而变化。我们所有采用该方案的研究通常重点关注干扰刺激呈现期间（即延迟间隔期）观察到的脑活动，但也可分析与其他事件（例如探针刺激）时间锁定的脑活动。

四、代表性结果

图2. 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）。情绪干扰刺激增强了腹侧情感脑区（红色斑块）的活动，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（蓝色斑块）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. 杂乱无章）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、干扰刺激和探测刺激的起始时间与持续时间。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。