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方法文章

通过中央与偏侧视野呈现情绪图片以测量动机性注意的半球差异

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DOI：

10.3791/56257

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2017年11月16日

 ,  , 
1Department of Psychology, University of Massachusetts Dartmouth, 2Department of Psychology, University of Kansas, 3Department of Psychology, University of Minnesota Duluth

本文内容

摘要

本研究比较了情绪性图片在中央视野与分割视野的呈现方式，以评估两个半球在动机性注意上的差异。采用脑电图（EEG）和事件相关电位（ERPs）技术记录晚期正电位（LPP），以评估动机性注意水平。

摘要

关于情绪信息的偏侧化加工，文献中存在两种主流理论。一种理论认为，不愉快的情绪由右侧额叶区域加工，而愉快的情绪由左侧额叶区域加工。另一种理论则认为，右半球整体上更擅长情绪信息的加工，尤其是在后部区域。

在不使用神经影像学方法的情况下，评估大脑半球在处理情绪信息中的不同作用可能十分困难，而神经影像学方法并非所有科学家都能获得或负担得起。通过分割视野呈现刺激，可以在不使用神经影像技术的情况下研究信息的偏侧化加工过程。

本研究比较了情绪性图片在中央视野与分割视野的呈现方式，以评估两个半球在动机性注意上的差异。采用脑电图（EEG）和事件相关电位（ERPs）技术记录晚期正电位（LPP），以评估动机性注意水平。未来的研究将结合该范式与更具主动性的行为任务，进一步探索所发现的注意差异对行为的影响。

引言

关于大脑两个半球的偏侧化加工，已提出多种理论，其中包含情绪加工的相关理论。效价模型1认为，左半球专门负责积极情绪的加工，而右半球则专门负责消极情绪的加工。右半球优势假说2认为，与左半球相比，右半球在加工所有情绪信息方面具有专门化优势。最后，环形理论3提出，除了在效价方面存在前额叶不对称性外，右半球的后部区域还专门负责加工所有高唤醒度的情绪。为了验证这些关于偏侧化加工的理论，必须采用能够区分两个半球加工过程的方法学。虽然神经影像技术可以提供此类信息，但大多数科研人员通常难以便捷获取这些技术。此外，许多标准的认知范式即使与神经影像方法结合使用，也无法有效分离出每个半球所加工的信息。分割视野（DVF）方法为行为学和心理生理学研究者提供了一种无需依赖神经影像技术即可检验偏侧化加工理论的途径。

DVF 方法基于以下认知：呈现给一侧视野的刺激最初由对侧大脑半球接收并处理4DVF 方法通过在短时间内对刺激进行偏侧化呈现，使一侧大脑半球先于另一侧接收到信息5因此，短暂呈现在右侧视野的刺激由左半球对侧加工，而呈现在左侧视野的刺激则由右半球加工。通过这种方式，可考察单个半球对信息初始加工的差异。例如，已有充分证据表明左半球擅长语言信息的加工（详见参考文献的元分析）6）。使用DVF范式的研究表明，当词语呈现给左半球时，加工速度加快即，显示在右侧视野）相比，当呈现在右半球时。

为了评估两个半球之间的加工差异，可能需要使用比行为反应时间具有更高时间分辨率的测量方法。从人类脑电图（EEG）数据中提取的事件相关电位（ERPs）具有毫秒级（ms）的时间分辨率。因此，将ERP技术与双视野呈现（DVF）方法结合使用，可以更精细地评估两个半球之间的加工差异。首先，可通过中央视野（CVF）呈现刺激材料，以重复验证已确立的ERP效应。随后，可通过双视野（DVF）呈现刺激材料，考察每个半球在这些ERP效应传播过程中的独特贡献。在本研究中特别关注的是7，晚期正电位（LPP）已被确认为一种对刺激情绪唤醒度敏感的ERP成分8。有趣的是，LPP并未被发现能够稳定地区分令人不悦与令人愉悦的刺激，而是相对于中性刺激，对情绪性刺激表现出同等程度的反应。本研究旨在利用LPP作为指标，检验两个半球在对情绪刺激的动机性注意中的情绪加工偏侧化理论。

此外，本研究系统地考察了情绪刺激的效价和唤醒度两个维度在LPP早期和晚期表现中的影响。这种刺激操控结合中心视野（CVF）和周边视野（DVF）的刺激呈现方式在现有文献中具有独特性，能够用于探讨效价、唤醒度以及大脑半球加工对LPP传播的独特作用及其交互影响。因此，可以进一步探究与愉快刺激相比，不愉快刺激所提示的行为紧迫性对动机性注意及LPP的差异化调节作用。

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方案

本文所述所有方法均已获得美国堪萨斯州劳伦斯市堪萨斯大学人类受试者研究内部审查委员会的批准。

1. 选择参与者

  1. 在DVF研究中使用右利手参与者。在极少数情况下（10%），左利手个体的语言处理功能定位于右半球，这将导致头皮记录的ERP成分出现非典型的拓扑分布。
  2. 让参与者完成爱丁堡利手量表9，以确定其为强右利手。得分在8分或以上表明为强右利手。

2. 刺激材料

  1. 通过情绪与注意力研究中心网站11申请国际情感图片系统（International Affective Picture System, IAPS）的研究副本10。根据步骤2.2–2.4中的要求，从IAPS中选择刺激材料。IAPS为每个刺激提供一张图像文件，以及一个以制表符分隔的文本文件，其中包含每张图像的效价（valence）和唤醒度（arousal）标准化评分。
    1. 使用电子表格程序查看标准化评分并进行刺激材料的选择。O'Hare、Atchley和Young（2016）研究中所选刺激材料的完整列表见表1。
      注：该刺激材料集提供了情绪性刺激的效价和唤醒度评分的标准化数据。这些标准化评分是通过被试在自我评估量表人形图（Self-Assessment Mannequin）10上的评分获得的。该量表使用图形化人形表示，效价维度从皱眉、不愉快的人形到微笑、愉快的人形；唤醒度维度从放松、困倦的人形到兴奋、睁大双眼的人形。效价采用9点李克特量表评分，1表示最不愉快（皱眉、不愉快的人形），9表示最愉快（微笑、愉快的人形）。唤醒度同样采用9点李克特量表评分，1表示唤醒程度最低（放松、困倦的人形），9表示唤醒程度最高（兴奋、睁大双眼的人形）。每张图像中引发情绪反应的成分均位于图像中央。
  2. 利用IAPS手册12提供的标准化评分，创建三个效价组图像，每组包含60张图像：不愉快组、愉快组和中性组。
    1. 具体操作为：按图像的平均效价评分对IAPS图像进行排序。不愉快刺激的平均效价评分范围为1至3.99；中性刺激的平均效价评分范围为4至6.99；愉快刺激的平均效价评分范围为7至9。各效价组之间的平均效价评分必须存在显著差异，且评分范围无重叠。
    2. 使用独立样本t检验13确认各效价组之间存在显著差异。图像组间的图像复杂度未作控制，因为已有研究发现图像复杂度不会影响晚期正电位（LPP）14。
  3. 在不愉快和愉快效价刺激组内，分别创建高唤醒度和中等唤醒度的子组，每种子组包含30张图像。
  4. 在中性效价刺激组内，创建中等唤醒度和低唤醒度的子组。高唤醒度子组的平均唤醒度评分范围为4.30至8.70，彼此之间在平均唤醒度评分上无显著差异；中等唤醒度子组的平均唤醒度评分范围为2.40至7.29，彼此之间在平均唤醒度评分上也无显著差异；低唤醒度子组的平均唤醒度评分范围为1.4至5.44。
  5. 完成刺激材料选择后，使用t检验13对所选材料进行检验，以确保各刺激组之间具有可靠的差异。
    注：各唤醒度子组（高、中、低）在平均唤醒度评分上必须彼此存在显著差异，但同一效价组内的不同唤醒度子组在效价评分上不得存在显著差异。这使得可以分别考察：1）仅由效价引起的效果，2）仅由唤醒度引起的效果，以及3）效价与唤醒度之间的交互作用。
  6. 使用图像编辑软件调整最终刺激图像的尺寸，确保其在刺激呈现显示器上以17.06度水平视角和10.85度垂直视角呈现。
    1. 使用公式 V = 2arctan(S/2D)15 计算视角（V），其中S表示视觉对象的高度或宽度，D表示观察者瞳孔到视觉对象的距离。刺激图像的尺寸取决于被试瞳孔与刺激呈现显示器之间的距离（D）。
  7. 为实现对图像刺激的后向掩蔽（backward masking），创建掩蔽刺激。掩蔽刺激由一组反斜杠（即"\"）构成，其空间尺寸需与图像一致。在图像编辑软件中创建一个与刺激图像像素尺寸相同的文本框，填入反斜杠直至填满整个空间，且不改变预设尺寸。将此文本框保存为图像，即形成掩蔽刺激。
  8. 针对双视野呈现范式（DVF paradigm），创建图像呈现幻灯片，并载入刺激呈现软件中。
    1. 在图像编辑软件中，将注视点标记（"+"）置于图像中央。将第一张刺激图像垂直居中放置，其右边缘位于注视点左侧3度视角处。
    2. 创建一个与刺激图像尺寸相同的棕色矩形，同样垂直居中放置，其左边缘位于注视点右侧3度视角处。将此布局保存为该刺激图像的左视野呈现版本。
    3. 交换刺激图像与棕色矩形的位置，并将此布局保存为该刺激图像的右视野呈现版本。对所有刺激图像均执行此操作（图1）。
  9. 针对双视野呈现范式（DVF paradigm），以与图像呈现幻灯片相同的方式创建掩蔽刺激幻灯片，并载入刺激呈现软件中。将掩蔽图像放置在注视点两侧，其内边缘距离注视点均为3度视角（图2）。将此布局保存为DVF范式所用的掩蔽刺激。

3. 实验设备

  1. 根据国际10-20系统16，使用银-氯化银（Ag-AgCl）有源电极或其他脑电图（EEG）电极记录头皮部位的脑电活动。在右眼上方和下方各放置一个额外电极，用于记录垂直眼动。
  2. 使用脑电采集软件进行数据采集，采样率为250–500 Hz，具体取决于设备的技术规格。有关脑电采集参数的详细讨论，请参见Luck（2014）17。
  3. 通过一台计算机上的刺激呈现软件包18呈现刺激，该计算机连接一个24英寸镜像刺激呈现液晶显示器（分辨率为1,920 × 1,200），显示器置于独立的、电磁屏蔽且隔音的房间内。仅将镜像显示器放置在屏蔽室内，而将计算机本体置于实验室外，以减少电噪声干扰。隔音措施可降低脑电数据中听觉诱发电位的出现概率。刺激呈现软件包必须允许用户设置刺激的呈现时长和屏幕位置。

4. 受试者的准备

  1. 在参与者提供任何数据之前，须让其完成知情书面同意书。
  2. 让参与者填写人口统计学问卷，以收集性别、年龄、利手性、母语、视力状况及神经系统病史信息。收集性别和年龄数据，用于最终研究报告的撰写。使用其余人口统计学信息判断参与者是否符合纳入研究的标准：右利手（通过爱丁堡利手量表评估）、母语为英语（通过自我报告获取，或母语为研究指导所用语言）、正常或矫正至正常的视力，且无神经系统创伤史。
  3. 在参与者头部安装脑电图（EEG）电极。任何覆盖头皮枕区-顶区的EEG导联方式均适用于记录LPP反应。
  4. 让参与者坐在黑暗、电磁屏蔽、隔音的房间内。使用下颌托固定头部，以减少头部移动。将下颌托置于与刺激呈现显示器之间适当距离处，以保持视觉角度计算中所用的D变量。在参与者面前放置键盘（或反应盒），供其使用右手进行反应记录。
  5. 检查数据信号，确保所有通道的阻抗均低于50千欧17。
  6. 指导参与者被动观看图像刺激，且视线不得偏离屏幕中央。在屏幕中央显示注视点（"+"），以帮助参与者维持注视17。告知参与者，每完成一组图像后将进行一次再认测验，因此他们需保持注意力集中。每位参与者仅完成CVF或DVF范式之一，形成被试间设计。
    注意：CVF和DVF范式也可在同一参与者身上进行，以构成被试内设计。若采用此方式，应平衡两种范式的呈现顺序，以控制刺激熟悉性可能带来的影响。

5. 中央视野（CVF）范式

注意：在CVF范式中，将图像刺激随机呈现在屏幕中央。每个试验包括一个持续500 ms的中央注视点（"+"），随后呈现150 ms的刺激，接着是一个后置掩蔽，其呈现时间在2,000–4,000 ms之间随机变化。掩蔽呈现时间的随机化有助于减少被试对下一次试验开始的预期性事件相关电位（ERP）反应20。

  1. 在刺激呈现软件中，为注视点、刺激图像和掩蔽刺激分别创建独立的呈现幻灯片，以设定呈现时长和刺激位置。
    1. 为呈现注视标记，请指定加号符号（+）的显示方式"+"）在垂直和水平方向上居中，并将持续时间设置为 500 ms。此操作可通过该幻灯片的属性完成。
    2. 为呈现刺激，将刺激图像的文件名输入矩阵或列表对象中。
    3. 在图像呈现幻灯片上，垂直和水平居中放置一个图像对象，并将该对象链接到图像文件名列表以加载图像刺激。设置包含图像文件名的矩阵或列表对象，使其从列表中随机选择刺激，且已选中的刺激不再重复。将图像呈现幻灯片的持续时间设为 150 ms。
    4. 对于呈现掩模的幻灯片，再次插入一个在垂直和水平方向均居中的图像对象。可通过在其属性中输入文件名，将该对象直接链接到掩模图像文件。将呈现掩模的幻灯片持续时间设置为在2,000至4,000毫秒之间随机变化。
  2. 将图像刺激呈现在四个实验组块中，每个组块包含45次试验（共180次试验）。每个组块中来自效价/唤醒度条件的刺激数量相等。可通过创建四个独立的矩阵或列表对象来实现，每个对象包含来自每个效价-唤醒度组别的7至8张图像文件名例如在列表1中可包含7张高唤醒度的不愉快图片，而在列表2中可包含8张高唤醒度的不愉快图片）。参与者在每次试验中被动观看图像刺激。
  3. 每个区块结束后，进行一次包含10项内容的再认测验，以确保参与者在被动观看阶段保持注意力。再认测验中显示6个来自前一区块的项目和4个新项目。所选的6个项目应涵盖先前区块中所有效价和唤醒度类别。要求参与者使用右手按键，判断哪些刺激是之前观看过的。

6. 分视野视觉（DVF）范式

注意：DVF 范式与 CVF 范式完全相同，包括图像刺激的大小，区别仅在于将步骤 2.7 中创建的图像呈现幻灯片中的每个图像刺激呈现在注视标记的左侧或右侧（见图 3）4。

  1. 将每张图像分别在左侧视野和右侧视野各呈现一次。所有刺激以完全随机的顺序呈现。
  2. 由于每个刺激呈现两次，因此将实验区组和再认测验的次数（8次）翻倍，总共达到360个试验。
  3. 将每个图像刺激与一个实心棕色矩形同时呈现在注视点的对侧，该矩形在刺激维度上与图像完全相同。此设计旨在减少对刺激产生的反射性扫视眼动。此外，150 ms的呈现时间短于大多数扫视潜伏期21，这意味着如果参与者将视线转向刺激，刺激将在其能够稳定注视之前就被掩蔽22。
  4. 将每个刺激及其配对的棕色矩形的内侧边缘置于距离注视点3°视觉角度的位置。此设置可确保刺激完全落在仅由单侧大脑半球处理的视网膜区域之内4。
  5. 使用与CVF范式20中相同的标准和程序对刺激和棕色矩形进行逆向掩蔽。

7. 数据分析

  1. 从数据中剔除在再认测试中得分低于50%（机会水平）的参与者，因为无法确保其在实验过程中对刺激材料保持了足够的注意力。
  2. 使用脑电图（EEG）软件包对脑电数据进行预处理和分析23。对数据进行离线0.01–30 Hz的连续带通滤波，将100 ms时间窗内波动超过200 μV的数据标记为坏段，使用为每位参与者单独生成的平均模板校正眼电伪迹，通过目视检查后手动去除水平眼动伪迹，并采用公共平均参考法对数据进行重参考24,25。
  3. 根据刺激前200 ms的基线期，提取刺激呈现后1,000 ms内的数据片段（epochs）26。
  4. 结合波形的视觉检查结果及事件相关电位（ERP）文献确定晚期正电位（LPP）的头皮分布特征27。本研究中，LPP的活动中心位于CPz通道。在此情况下，将CPz、Pz、Cz、CP1和CP2通道的数据进行平均，以构建LPP的代表性波形。
  5. 在双视野刺激（DVF）数据中，进行偏侧化分析，比较左侧枕-顶通道与右侧枕-顶通道的LPP振幅，以确认DVF刺激未改变LPP成分的典型头皮分布。分别对通道对CP1与CP2、CP3与CP4、C1与C2、C3与C4、P1与P2以及P3与P4进行配对样本t检验，确保它们在平均振幅上无显著差异。
  6. 由于LPP是一种持续时间较长的成分，提取两个不同的LPP时间窗：早期（刺激呈现后400–700 ms）和晚期（刺激呈现后700–1,000 ms）。
  7. 对中心视野刺激（CVF）的LPP数据进行重复测量方差分析（ANOVA），采用3（效价：负性、正性、中性）×2（时间窗：早期和晚期）的组内设计，以验证情绪性刺激引发的LPP振幅是否显著大于中性刺激，即典型的LPP情绪效应是否存在。该分析用于确认刺激材料得到了正常加工。
  8. 为考察效价与唤醒度对LPP的交互影响，对CVF的LPP数据进行2（效价：负性与正性）×2（唤醒度：高与低）×2（时间窗：早期与晚期）的组内重复测量方差分析（ANOVA）。
  9. 为检验刺激呈现半球的影响，在DVF的LPP数据上执行第7.8节所述的方差分析，并额外加入“半球”因素（左与右）。

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结果

为了重复关于LPP的先前研究，对不愉快和愉快图片的LPP反应均应大于对中性图片的LPP反应。CVF分析证实了这一点，在早期阶段，对不愉快图片（M = 1.90 μv）和愉快图片（M = 1.71 μv）的LPP显著大于对中性图片（M = 0.72 μv）的LPP，但不愉快图片与愉快图片之间的差异未达到显著水平。有趣的是，在晚期阶段，对不愉快图片的LPP（M = 1.19 μv）大于对愉快图片的LPP（M = 0.56 μv）。

为了考察大脑半球加工对情绪图片LPP反应的影响，需关注呈现于不同半球时LPP的差异。本研究发现，除呈现于左半球的高唤醒度负性图片外，所有图片在早期时段的LPP均大于晚期时段。对于呈现于左半球的高唤醒度负性图片，两个时段之间的LPP反应无显著差异（见表2）。换言之，与中等唤醒度的负性图片及所有正性图片相比，高...

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讨论

本研究利用刺激的效价和唤醒度的操控，结合视野分离范式（DVF），检验情绪的偏侧化加工理论在动机性注意网络中的应用。然而，DVF 方法也可用于探索任何视觉信息的偏侧化加工。使用 DVF 范式时的关键在于严格控制刺激呈现，以确保信息在初始加工阶段仅局限于一个半球。DVF 范式的实施包含若干关键步骤，这些步骤对实现这一研究目标至关重要。

首先，要求受试者将视线固定在屏幕中央。通过使用注视标记、双侧虚拟刺激（或占位符）以及用于固定头部的颏托，帮助受试者维持这一注视状态。然而，受试者偶尔仍会将视线转向侧方呈现的刺激。发生眼动的试验不应纳入分析，因为只有在注视中心时，双侧大脑半球才能同时接收到信息。在事件相关电位（ERP）研究中，水平眼动可在脑电图（EEG）数据中被检测到，从而剔除这些试验。在行为学研究中，可能需要持续使用镜子或眼动追踪设备来监测眼球运动。

除了控制眼动偏移外，刺激的呈现方式还需避免双侧加工。为此，建议刺激呈现位置距离注视点至少3°视觉角度。同时，应避免将刺激呈现得过于外侧，以免视觉敏锐度下降。当刺激距离注视点超过10°视...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
64导联Ag-AgCl有源电极Cortech SolutionsDA-AT-ESP32102064A/DA-AT-ESP32102064B用于数据采集的脑电图电极
ActiveTwo基础系统Cortech SolutionsDA-AT-BCBS以500 Hz频率对脑电图数据进行数字化和放大
E-Prime专业版2.0Psychology Software ToolsNA刺激呈现软件，可从https://www.pstnet.com/eprime.cfm获取
CURRY 7.0Compumedics NeuroscanNA脑电图/事件相关电位数据处理与分析软件，可从http://compumedicsneuroscan.com/products/by-name/curry/获取

参考文献

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