本方案旨在测量自闭症儿童与非自闭症儿童在奖励预期和处理方面的表现。具体而言,该方案设计用于在控制不同条件下奖励一致性的前提下,研究社会性和非社会性条件下奖励的神经相关机制。
本方案旨在测量自闭症儿童与非自闭症儿童在奖励预期和处理方面的表现。具体而言,该方案设计用于在控制不同条件下奖励一致性的前提下,研究社会性和非社会性条件下奖励的神经相关机制。
本文介绍了一种用于测量儿童奖赏相关神经活动的实验方案。该方案使研究人员能够同时测量奖赏预期和奖赏加工过程。其目的是设计一种适用于有或无自闭症的年幼儿童的奖赏任务,同时在两种条件(社会性和非社会性)下控制奖赏属性的一致性。本方案能够在保持奖赏本身完全相同的前提下,比较社会性与非社会性奖赏条件下的脑活动差异。使用该方案,我们发现典型神经发育儿童在社会性条件下表现出更强的预期阶段脑活动。此外,我们发现典型神经发育儿童对社会性奖赏的预期强于被诊断为自闭症的儿童。由于该任务以零食作为奖赏,因此最适合年幼儿童使用。然而,若将零食替换为金钱激励,该方案也可调整后用于青少年或成人人群。本方案设计用于测量脑电生理事件(事件相关电位),但也可根据需要定制用于眼动追踪或功能性磁共振成像(fMRI)研究。
自闭症谱系障碍(ASD)是一种发育性残疾,其特征是社会交流能力受损(包括语言和非语言交流)以及存在局限性兴趣和/或重复性行为1。鉴于ASD被认为具有神经生物学基础2,3,过去十年中针对ASD儿童的神经科学研究日益普遍也就不足为奇了。尽管已有多种关于ASD脑机制的理论被提出,但其中一个特别受到广泛关注的理论是社会动机假说4。简而言之,社会动机假说认为,ASD儿童与典型发育(TD)同龄人相比参与社会互动较少,是因为社会互动对他们而言奖励性较弱。Chevallier et al. 对该假说进行了综述5。由于该假说直接涉及奖赏系统,特别是ASD个体的奖赏系统是否对社会性信息具有响应性,因此已有大量研究探讨了ASD中的社会奖赏系统6,7,8,9,10,11,12。这些研究的结果存在差异:一些研究发现ASD个体的奖赏系统对社会性和非社会性信息均表现为低反应性;而另一些研究则表明,ASD个体的奖赏系统对非社会性信息反应正常,但对社会性刺激反应减弱。造成这些不一致结果的一个可能原因在于各研究中所使用的刺激材料和实验方法不同。在实验环境中,很难使社会性与非社会性奖励在强度上相匹配;例如,多项研究使用笑脸图片作为社会性奖励,而非社会性奖励则为金钱(e.g., 实验结束后获得金钱奖励7,8,11)。尽管这些研究为后续工作奠定了重要基础,但很难判断研究结果反映的是ASD个体在社会性与非社会性奖励响应性方面的真正差异,还是仅仅源于不同奖励条件之间的不匹配。
本实验方案旨在利用脑电生理学方法研究孤独症谱系障碍(ASD)高功能儿童的奖赏系统。为探讨ASD儿童与非ASD儿童在奖赏预期方面的差异,本研究测量了刺激前负波(stimulus-preceding negativity, SPN)。SPN是一种慢波成分,反映个体对即将出现的奖赏刺激的预期13。SPN的意义通常被理解为情绪预期14,15,16,并被认为与脑岛活动相关17,18。在决策任务中,SPN通常在被试完成运动反应后、反馈呈现前进行测量19,20。SPN对奖赏强度敏感,在奖赏条件下的波幅通常显著大于无奖赏条件15,16,21。尽管SPN通常在决策任务中测量,但已有研究报道,在无任务条件下预期即将到来的情绪性刺激时也可观察到SPN22,23,24。本实验方案的一个关键目标是设计一种实验任务,使社会性与非社会性条件下的奖赏程度相匹配,以消除潜在的混杂因素。另一目标是测试6至11岁之间的年幼儿童。因此,该方案可作为一种适合年龄特点的奖赏任务,使儿童在参与过程中保持兴趣而不易产生挫败感。
涉及人类参与者的程序已获得加州大学河滨分校和加州大学圣地亚哥分校的人类受试者研究伦理委员会/机构审查委员会的批准。
1. 刺激材料准备
注意:以下所述步骤专用于一种市售的图像编辑套件(参见材料表);但也可使用其他图像编辑软件。
2. 行为学实验步骤
3. 脑电图记录
4. 脑电图数据处理
注意:本节中描述的步骤和命令专用于 EEGLAB 和 ERPlab 工具箱28。
5. ERSP 分析的处理差异
6. 统计分析
设计实验以系统比较大脑对社会性奖励与非社会性奖励刺激的活动十分复杂,其难点在于难以使社会性与非社会性奖励在价值上等同。 图1 展示了一项实验方案中的刺激材料,该方案旨在研究大脑对奖励的神经反应,同时控制奖励的属性。具体而言,该实验范式的设计目标包括:(i)确保社会性与非社会性试次中的奖励具有一致性;(ii)控制社会性与非社会性试次间刺激的物理属性;(iii)适用于6至11岁有或无自闭症的儿童。
图2展示了参与者在预期社会性与非社会性刺激时的事件相关电位(ERP)反应。需要注意的是,由于当前实验方案旨在测量奖励预期(即SPN),图中显示的时间段主要位于反馈呈现之前(反馈在图中为0 ms)。这些结果表明,典型发育(TD)儿童对伴随面孔出现的奖励刺激的预期反应比自闭症谱系障碍(ASD)儿童更强。此外,尽管TD儿童对面孔刺激的预期显著高于非面孔刺激,但ASD儿童在不同条件下的脑活动并未表现出明显的差异。

图1: 刺激呈现及时间安排示意图。 左侧一列表示社会性(面部)条件的反馈,右侧一列表示非社会性(非面部)条件的反馈。上方显示“正确”答案的反馈,下方显示“错误”答案的反馈。本图经许可转载12。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2: TD儿童与ASD儿童在SPN区域对社交性/面孔(左)和非社交性/箭头(右)刺激的总平均波形。 TD儿童以实线表示,ASD儿童以虚线表示。用于统计分析的-210至-10 ms时间段以灰色方框标出。本图改编自先前发表的研究6。 请点击此处查看该图的放大版本。
本文描述了在儿童奖赏范式中事件相关电位(ERP)数据的刺激呈现、数据采集过程及分析方法。在此范式中,儿童在计算机上玩一种类似于“猜哪只手”的猜谜游戏,并会看到反馈信息,提示其猜测正确或错误。在奖赏预期阶段(即反馈出现之前的脑活动)的ERP结果与刺激前负波(SPN)一致。在不同条件之间,结果表明,典型发育(TD)儿童对伴随面孔图像的奖赏刺激的预期强于对伴随非面孔图像的奖赏刺激的预期6。在不同儿童群体之间,结果表明,典型发育儿童对伴随面孔刺激的预期显著强于自闭症儿童。这些结果令人振奋,因为它们提供了有关自闭症儿童如何预期社会性和非社会性信息的重要信息。这对于深入理解自闭症的神经机制以及支持社会动机假说具有重要意义。这些发现为干预措施的制定与优化提供了有用的信息,强调了社会动机对于自闭症谱系障碍(ASD)儿童的重要性;例如,干预措施可能需要明确尝试提高社会伙伴的奖赏价值,以直接影响该人群的社会动机。
该方案适用于测量自闭症谱系障碍(ASD)儿童与非ASD儿童的预期性脑活动,所得数据表明,此类脑活动可在6岁以上儿童中被可靠且成功地诱发。此外,该方法允许在无奖励属性相关混杂因素的情况下直接比较社会性与非社会性条件(因两种条件下正确反应的奖励均为金鱼饼干)。在本方案中,人脸图像被打乱并生成箭头形状,此处理方式在非社会性(非人脸)条件下保留了人脸刺激的物理属性。该方案可能对未来针对ASD亚群的研究具有参考价值。例如, 一些自闭症谱系障碍(ASD)儿童比其他儿童具有更强的社会动机,这一差异可用于深入理解为何某些儿童对特定干预措施的反应更为有效。
当前方法存在一些局限性,必须予以考虑。首先,上述范式适用于认知能力处于平均水平、年龄在6至11岁之间、患有或未患自闭症谱系障碍(ASD)的儿童。针对6岁以下典型发育儿童的初步试验未获成功,因为这些儿童对指导语感到困惑,无法理解游戏指令。在当前方案中,排除标准包括全量表智商(IQ)得分低于70。因此,当前范式可能不适用于心理年龄或实际年龄低于6岁的儿童。然而,有可能对现有方案进行修改,使其适用于智商较低或年龄更小的儿童。目前正研究一些针对幼儿(如学步儿童)的适应性调整措施。这些调整包括将任务改为被动式(例如,让儿童观看以可预测时间间隔呈现的块设计刺激),以及采用S1/S2范式24。在这种设计中,S1的内容可靠地提供关于S2内容的信息(例如,若S1为正方形,则S2将为人脸;若S1为圆形,则S2将为箭头)。此外,也可利用当前范式的时间结构来构建一种预期性听觉实验方案。
在自闭症谱系障碍(ASD)中,使用言语与非言语刺激组并测量无语言能力、难以遵循指令或难以注意视觉刺激的ASD儿童的大脑活动将具有重要意义31。与第一个局限性相关的是,需要注意的是,具有平均认知能力的ASD儿童的研究结果可能无法代表整个自闭症谱系——因为自闭症谱系按定义涵盖广泛的功能水平。因此,这些代表性结果不能外推至所有ASD儿童。最后,需要指出的是,本研究方案中使用的刺激材料是由成人而非儿童进行标准化的。因此,未来的研究应考虑使用由儿童进行标准化的面部表情刺激材料。
本文的开放获取费用由 Brain Vision LLC 提供。
感谢所有参与本研究方案的儿童及其家庭。出版费用由 Brain Products 支付。
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