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方法文章

一种用于研究分心与中断对工作记忆干扰的认知范式

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DOI：

10.3791/52226

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2015年7月16日

 ,  , 
1Department of Psychology, University of New Mexico, 2Department of Neurology, University of California, San Francisco, 3Department of Physiology, Center for Integrative Neuroscience, University of California, San Francisco, 4Department of Psychiatry, University of California, San Francisco

本文内容

摘要

开发了一种新的认知范式，用于阐明在工作记忆任务中，被忽略的干扰物与需要注意的中断刺激所引起的干扰在行为和神经层面的相关机制。本文详细描述了该范式的多种变体，并回顾了在年轻和老年成人参与者中使用该范式所获得的数据。

摘要

目标导向行为常常受到外部环境干扰的影响，这种干扰可能表现为无关信息引起的分心（这些信息本应被忽略），也可能表现为需要分配注意力的中断性信息（作为另一项次要任务目标的一部分）。研究表明，这两种形式的外部干扰均会损害工作记忆（WM）中信息的维持能力。新兴证据表明，不同类型的外部干扰对行为的影响存在差异，且可能由不同的神经机制所介导。明确无关分心刺激与需注意的中断刺激在神经行为层面上的不同影响，对于深入理解自上而下的注意力调控、外部干扰的解决机制，以及这些能力在正常衰老过程和神经精神疾病中的衰退方式至关重要。本文介绍了一种由Gazzaley实验室开发的新认知范式，该范式目前已衍生出多个不同版本，用于揭示被试需忽略的分心刺激与需关注的中断刺激在行为和神经层面的相关特征。文中详细描述了该范式在视觉与听觉模态中应用的多种变体，涵盖不同层次的刺激复杂性，并提供了针对脑电图（EEG）或功能磁共振成像（fMRI）研究优化的实验时间参数。此外，本文还回顾并讨论了使用该范式获得的年轻与老年成年参与者的数据，结合有关外部干扰及工作记忆干扰解决过程中与年龄相关的神经行为变化的广泛文献，进行了综合分析。

引言

大量文献表明，来自外部环境的干扰会对工作记忆（WM）中的信息保持产生不利影响1-9。外部干扰通常可分为两类：一类是来自个体本应忽略的无关信息的干扰，即分心（distraction）；另一类是作为另一任务（次要任务）目标的一部分而需要分配注意力的干扰信息，即中断（interruption）。采用被试内设计比较这两类外部干扰的研究，有助于评估目标导向的自上而下注意在处理和化解外部干扰过程中的神经行为学影响。

最近，Gazzaley 实验室设计了一种实验范式，可用于在工作记忆任务背景下，对“需注意”的中断事件与“需忽略”的干扰事件进行比较。该范式产生的新兴证据表明，这两类外部干扰对行为具有不同的影响，并涉及不同的神经机制2-5,10,11。该范式揭示了正常衰老过程中对外部干扰处理的差异2,3,4,10,11；尽管在干扰情境下与衰老相关的缺陷并非在所有研究中均被发现5；此外，该范式还利用高水平的视觉刺激（如面孔和场景）2,3,4,12、低水平的视觉运动刺激（如点状运动图）5,10,11以及低水平的听觉运动刺激（如频率扫描）5，区分了干扰物与中断物对干扰作用的机制差异。

外部干扰与老化

外界干扰在整个生命周期中都会对工作记忆产生不利影响，尽管老年人受到的负面影响比年轻人更为显著2,3,13-18。当试图消除这种干扰时，老年人与年轻人相比也表现出不同的神经活动模式3,4,17,21。然而，一些研究并未发现干扰条件下存在与年龄相关的行为5,19,20或神经活动5差异的证据。

有趣的是，衰老对干扰消除的影响似乎因感觉模式而异，尽管这一问题目前尚未明确。已有大量研究表明，视觉同感觉通道干扰表现出与年龄相关的衰退（详见一项广泛的综述22）。相比之下，许多实验表明，在听觉同感觉通道干扰过程中并未出现与年龄相关的缺陷19,22-25，而其他研究则发现听觉分心易感性随年龄显著增加19,22,26-32。此外，干扰刺激的显著性（线索刺激与探测刺激之间的一致或不一致）2以及刺激的复杂性（高或低加工负荷）5可能与干扰处理及其在不同任务目标和年龄间的差异产生交互作用。

此处描述的范式通过探究自上而下的注意力（以任务目标的形式）以及对外部干扰刺激的分辨机制，补充了关于老化干扰效应的研究文献。来自视觉面孔的证据 & 该范式的场景版本表明，年龄与干扰类型之间存在交互作用，老年人对被关注的中断刺激比对被忽略的干扰刺激表现出更强的易感性 3,4表征这些类型干扰在行为和神经层面的差异，对于理解认知控制能力如何随年龄增长而变化具有重要意义。

为什么老年人在处理需要关注的干扰信息时表现出更严重的缺陷？老年人是否由于在干扰出现时对其进行了过度加工而受到影响，或由于在干扰结束后无法重新激活与主要目标相关刺激的表征而受损，亦或由于在干扰不再存在或无关之后仍对其进行了 prolonged processing（持续加工）33？为回答这些问题，当前实验范式的设计允许对不同类型干扰发生前、发生期间及发生后的神经活动进行比较。例如，通过比较被忽略的干扰所引发的神经活动与被关注的中断事件期间的神经活动，可以确定自上而下的注意在工作记忆中干扰 resolution（消除）过程中的特定作用。

多项研究已采用该干扰范式的多种变体，分别利用功能磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）在高空间分辨率和高时间分辨率下探究不同类型外部干扰的神经相关机制。该范式还被用于阐明视觉与听觉领域干扰之间的重要区别，以及刺激复杂性和一致性对干扰的影响。本文详细描述了这些范式变体。

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方案

以下步骤详述了如何实施这一新颖的认知范式，旨在阐明外部干扰对延迟识别工作记忆的神经行为学影响，其中包含针对与脑电图（EEG）或功能磁共振成像（fMRI）联用而优化的不同实验变体。在开始数据采集之前，须通过相应的机构审查委员会（Institutional Review Board）和/或人类受试者审查委员会，完成所有必要的人类受试者研究审批程序。

1. 准备

  1. 根据制造商的说明，将实验呈现软件（如 E-Prime、Presentation 或 PsychoPy）下载并安装到专用的刺激呈现计算机上。
  2. 准备适用于实验反应的适当键盘，并在两个相邻按键上分别贴上“是”和“否”标签（图 1）。
    注意：若本实验版本需结合 MRI 使用，请使用与 MRI 兼容的键盘。
  3. 对于该范式的听觉版本，根据制造商说明准备适用于测试方式的耳机（例如：必要时使用适用于 EEG 或 MRI 的兼容耳机），并将声音强度调整至 65 分贝（dB）声压级（SPL），此强度对听力正常个体而言较为舒适。
  4. 针对老年受试者的实验，应进行初步的神经心理学及感官筛查（如视力和听力筛查），以选择经过适当筛选的研究人群。
    1. 神经心理学筛查
      1. 设计一套神经心理学评估量表，用于筛查老年人的认知功能障碍。可通过纸质形式施测，或改编为计算机测试版本。
        注意：评估内容可包括简易精神状态检查（Mini Mental Status Exam, MMSE）35、总体衰退评分（Global Deterioration Score, GDS）36、加州言语学习测验（California Verbal Learning Test, CLVT）37、数字广度测验（Digit Span）38,39、符号广度测验（Symbol Span）40、字母-数字序列测验（Letter-Number Sequencing）41、Delis-Kaplan 执行功能系统（D-KEFS）中的连线测验（Trail Making Test）42、控制性词语联想测验（Controlled Word Association Test, COWAT）43,44。
      2. 对所有潜在成年受试者施测该评估量表，并依据各测验的评分标准进行评分。
      3. 若招募目标为健康老年人，应排除评分低于人群平均值两个标准差以上的受试者，或根据自定义排除标准进行筛选。
    2. 视力筛查
      1. 对于视觉实验，通过初步问卷调查受试者是否具有正常视力或矫正后视力正常，以进行视力筛查。
      2. 进一步实施 Snellen 视力表检测，排除视力未达到正常或矫正后正常（20/20 或更优）的受试者。
    3. 对于听觉实验，需进行正常听力筛查：
      1. 在初步问卷中询问受试者是否具有正常听力或矫正后听力正常，并排除不符合条件者。
      2. 进一步获取听力敏感度的客观测量数据。可在实验室内采用以下一种或多种方法进行听力测定：
        1. 使用听力损失筛查应用程序（如“uHear”），根据该应用程序自动计算的结果，排除听力敏感度不在“正常听力”范围内的受试者。
        2. 采用升-降法测定双耳在 250 - 6,000 Hz 频率范围内的听阈。若任一耳在任一测试频率下的平均听阈超过 50 dB，提示存在中度听力损失，应予以排除。

2. 实验设计

  1. 采用区组设计，在三种不同的干扰条件下（以及神经实验的第四种基线条件）实施延迟识别工作记忆任务（另见图2和表1）。每种条件重复两次，顺序采用逆平衡设计（推荐使用平衡拉丁方设计）。注意，不同范式变体之间的实验时序和试验次数有所不同；请使用表1中详述的参数。
  2. 忽略干扰刺激条件（DS）：
    1. 显示提示，指导参与者记住线索刺激并忽略干扰刺激，同时持续保持对线索刺激的表征。指示参与者：若探测刺激与线索刺激匹配，则回答“是”；若不匹配，则回答“否”。
    2. 呈现线索刺激，随后立即进入短暂延迟（延迟1）。
    3. 显示一个干扰性的“干扰物”刺激，随后立即进入第二个短暂延迟（延迟2）。
      注：参与者无需（也不应）对干扰物刺激做出任何交互。
    4. 呈现探测刺激并收集反应。
  3. 关注中断刺激（次级任务）条件（IS）：
    1. 显示提示，指导参与者记住线索刺激，并对随后出现的干扰刺激完成一项次级任务。显示如下指令：“仅当中断刺激符合特定辨别标准时，才按下按钮”。同时指示参与者：若探测刺激与线索刺激匹配，则回答“是”；若不匹配，则回答“否”。
      注：每种范式变体的辨别标准各不相同，详见下一部分描述。
    2. 呈现线索刺激，随后立即进入短暂延迟（延迟1）。接着呈现干扰性的“中断物”刺激，并收集次级（辨别）任务的反应。之后进入第二个短暂延迟（延迟2）。
      注：完成次级任务需要将注意力集中于“中断物”。
    3. 呈现探测刺激并收集反应。
      注：10%的试验为捕获试验（catch trials），其中中断刺激符合辨别标准；为此条件区块额外增加10%的试验以补偿被剔除的试验。由于运动反应的混杂效应，所有捕获试验均需从神经分析中排除。
  4. 无干扰刺激条件（NI）：
    1. 显示提示，指导参与者记住线索刺激并持续在脑海中保持该信息。指示参与者：若探测刺激与线索刺激匹配，则回答“是”；若不匹配，则回答“否”。
    2. 呈现线索刺激，随后立即进入延迟期。在延迟期间，在空白屏幕上显示一个居中的注视十字。
    3. 呈现探测刺激并收集反应。
  5. 基线/被动观看（或聆听）条件（仅适用于神经实验）（PV/PL）
    1. 在神经成像任务中加入被动观看/聆听条件，以便计算在IS/DS条件下相对于基线活动的神经活动“增强”和“抑制”，即当参与者在无任务目标的情况下被动观看（/聆听）工作记忆刺激和干扰刺激时的神经活动水平。（见表2。）
    2. 显示提示，指导参与者被动观看（/聆听）所有视觉（/听觉）任务刺激。同时显示完成简单辨别任务的指令。
      1. 对于视觉任务，指示参与者按下与屏幕上显示箭头方向（左或右）相对应的按钮。
      2. 对于听觉任务，指示参与者按下与易于区分的高频（2 kHz）或低频（0.5 kHz）声音扫频（高或低）相对应的按钮。
    3. 依次呈现或显示线索刺激、延迟1、干扰刺激和延迟2。
    4. 用箭头（视觉）或声音扫频（听觉）替代探测刺激，并在参与者完成上述简单辨别任务时收集其反应。

3. 刺激材料

1. 刺激材料的常规制备

  1. 从下述类别中选择一组刺激材料（另请参见图2和表1）。
  2. 仔细决定将主要工作记忆任务刺激与主题上一致或不一致的干扰刺激配对（见下文注释）。
  3. 确保所有图像均调整为宽225像素、高300像素（14 × 18 cm）。
  4. 将图像呈现在中央凹区域，其视觉角度偏离注视点约3度。
    注：对于fMRI实验，应使用与主要工作记忆任务刺激主题不一致的干扰刺激，例如在场景工作记忆任务中使用面部干扰，或反之。为精确定位与面部和场景特异相关的皮层区域，应在工作记忆实验前实施fMRI定位任务。随后，在干扰范式中，利用这些对场景和面部具有选择性的皮层区域，同步解析神经活动动态，分别对应工作记忆提示刺激（e.g., 场景）以及不一致的干扰刺激 （e.g., 面部）

2. 高级视觉刺激

  1. 对于面部刺激材料，从大量不同成年年龄范围的男性和女性中性表情灰度面部照片中，准备数百个线索/探针面部刺激材料。通过数字方式去除头发和耳朵，并对面部轮廓应用模糊处理。
  2. 对于场景刺激材料，从自然场景的灰度照片中准备数百个线索/探针场景刺激材料。
  3. 在延迟1之后，呈现一个干扰性刺激，该刺激由场景或面部组成。在90%的试验中，呈现一个不符合“男性且年龄超过40岁”的面部；在其余10%的试验中，呈现一个男性且年龄超过40岁的面部。
  4. 在“注意中断”条件下，指导参与者使用干扰刺激（在线索和探针之间呈现）完成以下次要任务：要求参与者在中断面部为男性且年龄超过40岁时回答“是”。

3.  低水平视觉运动刺激

  1. 创建一个圆形孔径的提示/探测刺激，其中包含290个空间随机分布的灰度点（每个点为0.08度×0.08度），在75 cm的观看距离下占据8度的视觉角度，中心位于中央凹。
  2. 以每秒10度的倾斜角度显示具有100%运动一致性的移动点，运动方向为12个不同方向之一（每个象限3个方向）。
  3. 采用自适应阶梯阈值法（以2度为增量）确定视觉分辨阈值，使分辨准确率略低于100%，并在首次出错试验时达到该阈值。
  4. 在延迟1之后，呈现一个干扰刺激，由作逆时针圆周运动的点组成。在90%的试验中以“正常”速度（每秒10度）呈现该运动，在其余10%的试验中以较快速度呈现。
  5. 在“注意中断”条件下，指导参与者完成以下次要任务：若中断的旋涡运动速度较快，则回答“YES”。

4.  低水平听觉运动刺激

  1. 创建在频率范围内进行声音运动扫描的提示/探测刺激，其中中频随机选择在 900 至 1,100 Hz 之间。构建声音运动扫描频率，使其从中频的 ± 0.5 八度开始，并从中频的 ± 0.5 八度结束。
  2. 呈现相等数量的“上扫”（从 -0.5 八度开始，到 +0.5 八度结束）和“下扫”（从 +0.5 八度开始，到 -0.5 八度结束）运动扫描刺激。
  3. 将音量调节至舒适的听觉水平，即 65 dB SPL。
  4. 阈值测定：采用自适应 ZEST 程序确定听觉分辨准确率达到 85% 正确率时的阈值。
  5. 在延迟 1 之后，呈现一个干扰刺激，该刺激由单一音调组成。在 90% 的试验中播放频率为 2 kHz 的音调，在其余 10% 的试验中播放频率为 2.3 kHz 的音调。
  6. 在“注意中断”条件下，指导参与者完成以下次要任务：判断中断音调是否为较高频率的提示音（2.3 kHz）并作出响应。

5. 探针刺激

  1. 对于所有工作记忆任务，确保50%的探测刺激与线索匹配。
  2. 在具有阈值化辨别水平的低层次运动任务中（辨别阈值为5、10、11），将50%不匹配线索的探测刺激设置为与线索相差参与者阈值化刺激辨别水平的绝对值。
    注意：例如，若阈值测定确定某参与者的视觉辨别水平为10度，则将视觉运动线索设为45度方向运动，探测刺激则设为45度（50%试次中匹配）或45 ± 10度（即35度或55度；各占50%非匹配试次）。

4. 比较干扰条件

  1. 使用统计软件（如 SPSS）比较在不同类型干扰发生前、发生期间和发生后的关键时间点上的行为表现和神经活动。
    注：许多在线手册提供了逐步说明和截图，介绍如何在 SPSS 中使用和运行简单的统计分析。
    1. 通过比较干扰条件下工作记忆的准确率和反应时间与无干扰条件下的表现，来计算分心与中断对行为表现的影响（图4）。例如，可使用配对 t 检验比较任意两种干扰（或基线）条件之间的准确率或反应时间。
      注：在对两个特定任务条件进行 t 检验比较之前，建议先进行重复测量方差分析（ANOVA），以比较该范式中所有工作记忆条件之间的差异。
    2. 对于神经影像研究，应根据所采用的成像模态和感兴趣指标，按照相应的标准流程对数据进行预处理和处理。
      1. 对于脑电图（EEG）研究，使用 EEGLAB 或其他选定的软件包，并依据软件说明及其推荐的数据处理流程处理 EEG 数据。
      2. 对于功能性磁共振成像（fMRI）研究，使用选定的软件包（如 AFNI、SPM、FSL 等），并依据软件说明及其推荐的数据处理流程处理 fMRI 数据。
    3. 为了评估工作记忆过程中因干扰引起的神经活动调制情况，将这些条件下的神经数据与被动观看（/聆听）条件下的神经活动进行统计学对比，从而控制基本的感知处理效应（图4）。
      1. 计算测量值时，应确保正值始终表示相对于基线的增强程度更高，或低于基线的抑制程度更强。对于 P100 成分，通过从被动呈现刺激（PV）诱发的量化神经活动减去分心刺激（DS）诱发的神经活动来计算神经抑制（即：PV - DS）。对于 fMRI 信号，通过从中断刺激（IS）诱发的量化 BOLD 信号减去基线被动观看刺激（PV）对应的 BOLD 信号来计算增强效应（即：IS – PV）。
    4. 通过统计方法比较被忽略的分心刺激所诱发的神经调制与被注意的中断刺激所诱发的神经活动，初步探究自上而下的注意力在解决工作记忆中不同类型干扰时的特异性作用。

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结果

这种干扰范式已帮助获得关于分心和中断对年轻与老年成人工作记忆的不同行为影响及神经机制的重要发现（总结见表2）。

行为学。 在行为学方面，与现有文献一致，中断对工作记忆表现的负面影响始终显著大于分心2-5, 10,11,12。相较于年轻人，老年人表现出更严重的干扰性缺陷，尤其是在使用复杂视觉客体刺激（如面孔和场景）的实验范式中2,3,4。然而，在低水平听觉运动范式变体5以及低水平视觉运动范式变体5（对先前已发表数据集的再分析10,11）中，年龄并未加剧干扰性缺陷。值得注意的是，该任务的低水平视觉和听觉运动变体在每位个体（无论年轻或年长）中均采用了感知阈值匹配的刺激，这可能有助于产生与年龄无关的行为学结果。

干扰的神经相关性。 使用功能性磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）记录的神经数据表明，对于被动观看、需要忽略以及...

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讨论

一种新的认知范式在研究分心和中断对工作记忆的干扰方面已显示出有效性。本文详细介绍了该范式及其多种变体，这些变体将其应用扩展到了不同的感觉模式、刺激复杂性水平以及成像方法。

实验开始前，需对所有参与者进行预筛选，以确保其具备适当的认知和感知能力。对于使用低级感知刺激的实验，应实施自适应阈值测定程序，将刺激校准至参与者间感知辨别难度相当的水平。根据预期的成像模式和刺激类型，遵循相应的实验变体参数。以交叉平衡的区组设计运行所有干扰条件（无干扰刺激、忽略分心刺激、关注中断刺激以及被动观看（仅在神经记录时需要）），并按上述方法比较各条件间的行為学和神经数据。若要探索不同类型刺激对工作记忆干扰的影响，只需在呈现脚本中替换所需的刺激材料即可。

采用该范式开展的现有研究存在若干局限性。尽管低水平视觉与听觉运动变体均使用由每位参与者通过自适应阶梯程序确定的感知辨别阈值，高水平视觉面孔与场景变体则未进行阈值校准，而是对所有参与者使用完全相同的刺激材料。尚需进一步研究以深入理解感知阈值校准对该干扰任务的影响。此外，所有行为学与脑电图（EEG）实验均...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

感谢本范式的开发者，特别是 Wesley Clapp、Anne Berry、Jyoti Mishra、Michael Rubens 和 Theodore Zanto。本研究工作由美国国立卫生研究院（NIH）资助，项目编号为 5R01AG0403333（AG）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
用于刺激呈现的计算机DellOptiplex GX620硬件/软件要求将根据刺激呈现软件的不同而有所变化
阴极射线管（CRT）显示器ViewSonicG220fb21"；推荐使用，因其在显示视觉刺激时的延迟优于液晶显示器（LCD）；座椅应距离显示器75 cm
E-Prime 软件Psychology Software Tools, Inc.E-Prime 2.0 Standard可使用其他实验呈现软件替代 E-Prime（例如 Presentation（Neurobehavioral Systems）或 PsychoPy（开源软件））；E-Prime 和 Presentation 兼容 Microsoft Windows 系统，PsychoPy 兼容 Microsoft Windows、Mac OS X 和 Linux 系统
用于行为或脑电图（EEG）实验的键盘/反应盒键盘：Razer；反应盒：Cedrus键盘：BlackWidow Ultimate；反应盒：RB-830任何标准计算机键盘均可接受，但反应盒可提供更精确的时间控制（例如：Cedrus RB-830 可保证 1 ms 的时间分辨率）
用于磁共振成像（MRI）实验的键盘/反应盒CurdesPackage 904确保按键设备具有磁共振兼容性
耳机（用于听觉行为实验）KossUR29
脑电图（EEG）兼容耳机（用于听觉脑电图实验）EtymoticER3-50; ER3-21; ER3-14A
磁共振成像（MRI）兼容耳机（用于听觉磁共振实验）EtymoticSD-AU-EAER30

参考文献

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