本研究旨在提供一个逐步教程,用于计算多感官整合效应的大小,以促进在不同临床人群中开展转化研究。
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本研究旨在提供一个逐步教程,用于计算多感官整合效应的大小,以促进在不同临床人群中开展转化研究。
多感官整合研究探讨大脑如何处理同时输入的多种感觉信息。对动物(主要是猫和灵长类动物)以及人类的研究表明,完整的多感官整合功能对于现实世界中的认知活动和身体活动均至关重要。过去几十年开展的大量研究采用多种心理物理学、电生理学和神经影像学技术,记录了多感官整合效应。尽管已有研究报道了该效应的存在,但用于确定多感官整合效应强度的方法各不相同,通常面临诸多批评。下文将概述以往行为学研究的局限性,并提供一个逐步教程,介绍如何使用稳健的概率模型来计算多感官整合效应的强度。
不同感觉系统之间的相互作用对于日常功能至关重要。尽管已采用多种感觉组合和不同的神经科学方法(包括但不限于心理物理学、电生理学和神经影像学方法)1,2,3,4,5,6,7,8,9在多种人群中测量了多感觉整合效应,但目前仍缺乏量化多感觉整合的金标准。鉴于多感觉实验通常包含行为学成分,研究常通过分析反应时间(RT)数据来判断是否存在一种被称为“冗余信号效应”的著名现象10。顾名思义,同时呈现的感觉信号提供了冗余信息,通常会导致更短的反应时间。竞争模型和共激活模型被用于解释上述冗余信号效应11。在竞争模型中,处理速度最快的那个单感觉信号赢得“比赛”,并引发行为反应。然而,当对多感觉刺激的反应快于竞争模型所预测的速度时,则表明存在共激活的证据。
早期版本的种族模型本质上存在争议12,13,因其被一些人认为过于保守14,15,并且据称在多感官条件下固有的组成单感官检测时间之间的独立性方面存在局限性16。为了应对其中一些局限性,Colonius & Diederich16 开发了一种更为传统的种族模型检验方法:
,
其中,将单感觉条件(例如,A 和 B;上限为 1)的累积分布频率(CDF)与任何给定潜伏期(t)下的同步多感觉条件(例如,AB)的累积分布频率(CDF)进行比较11,16,17。通常情况下,CDF 表示在特定反应时(RT)范围内,某一反应时出现的频率除以总刺激呈现次数(即试验次数)。如果实际多感觉条件的 CDF
小于或等于由单感觉条件推导出的预测 CDF
,
若如此,则接受竞赛模型,且无感觉整合的证据。然而,当多感觉累积分布函数(CDF)大于由单感觉条件预测得到的CDF时,竞赛模型被拒绝。拒绝竞赛模型表明,来自冗余感觉源的多感觉相互作用以非线性方式结合,导致对多感觉刺激的反应时(RT)加快(例如,RT促进)。
多感官研究领域面临的一个主要难题是如何最佳地量化整合效应。例如,在最基本的多感官行为范式中,研究人员要求参与者完成简单的反应时间任务,从而收集有关准确性和反应速度的信息。此类多感官数据可直接使用,也可通过多种数学方法进行处理,包括但不限于最大似然估计18,19、累积分布函数(CDFs)11以及各种其他统计方法。在我们以往的大多数多感官研究中,采用了定量与概率相结合的方法来计算多感官整合效应,具体包括两个步骤:1)用多感官刺激的平均反应时间(RT)减去单感官刺激中最短的平均反应时间(RT);2)采用累积分布函数(CDFs)分析反应时间的加快是否源于冗余感官信息所促进的协同作用8,20,21,22,23。然而,前一种方法可能对整合过程中的个体差异不够敏感,因此研究人员随后提出,后一种方法(即CDFs)可能是量化多感官整合效应的更佳代理指标24。
Gondan 和 Minakata 近期发表了一篇关于如何准确检验种族模型不等式(Race Model Inequality, RMI)的教程,因为研究人员在反应时(RT)数据采集与准备的获取和预处理阶段常常犯下 numerous 错误25首先,作者认为,在某些情况下应用数据修剪程序是不可取的 先验的 设定反应时的最小值和最大值范围。建议将缓慢或遗漏的反应设为无穷大,而非直接排除。其次,由于相对运动抑制指数(RMI)可能在任意潜伏期被违反,研究中常采用多个 t 检验在不同时间点(即分位数)检验 RMI;然而,这种做法会增加Ⅰ类错误的风险,并显著降低统计检验效能。为避免这些问题,建议在某一特定时间范围内整体检验 RMI。有研究者提出,检验最快四分之一的反应(0–25%)具有合理性。26 或某些预先确定的时间窗(即 10-25%)24,27 因为多感官整合效应通常在此时间段内被观察到;然而,我们认为待检验的百分位范围必须由实际数据集决定(参见 方案 第5节)。依赖年轻成年人的已发表数据或计算机模拟的问题在于,老年人表现出截然不同的反应时分布,这可能归因于与年龄相关的感官系统功能下降。对种族模型显著性检验应仅针对研究队列中实际累积分布函数与预测累积分布函数之间群体平均差异波形的违反部分(正值部分)进行检验。
已有研究通过传统的赛跑模型检验16以及Gondan及其同事提出的原则25,证实了多感觉整合对中国健康老年人群具有保护作用。事实上,视觉-躯体感觉RMI的幅度越大(作为多感觉整合的指标),与更好的平衡能力、更低的跌倒发生概率以及更优的空间步态表现之间存在关联28,29。
本实验的目的是为研究人员提供一份逐步教程,介绍如何使用相对多感觉整合指数(RMI)来计算多感觉整合效应的大小,以促进在多种不同临床人群中开展更多样化的转化研究。需要注意的是,本研究中展示的数据来自最近发表的针对健康老年人群的视觉-躯体感觉实验28,29,但该方法可广泛应用于多种实验设计中的不同受试群体,并可结合多种多感觉刺激组合方式。
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所有参与者均签署了书面知情同意书,同意参与实验程序,该程序已获得阿尔伯特·爱因斯坦医学院机构审查委员会的批准。
1. 受试者招募、纳入标准与知情同意
2. 实验设计
3. 仪器 & 任务
4. 种族模型不等式数据准备(个体水平)
5. 多感官效应的量化(组水平)。
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本研究的目的是提供一种系统化方法的分步教程,用于量化视觉-前庭(VS)整合效应的大小,以促进采用类似实验设计和设置的新多感官研究的发表(见图1)。上述内容详细列出了计算多感官整合效应大小(通过RMI AUC测量)所需的每一步操作截图和计算过程,并在图2-8中进行了图示说明。
图9 显示了333名老年人样本在0-10百分位区间内出现的组平均违规情况(虚线轨迹)(另见29在这三个十分位数(0.00 - 0.10)中,正值总数(0、1、2 或 3)的多少决定了个体被归入哪一类多感官功能分类组(分别为缺陷、较差、良好或优秀)。
如图9所示,群体平均结果表明,在所有反应时间最快的十分之一区间内,存在显著的种族模型违背现象26。尽管...
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本研究的目的是详细阐述建立稳定的多感官整合表型的过程。本文提供了获取多感官整合效应所必需的关键步骤,这些效应可用于预测依赖相似神经环路的重要认知和运动结果。我们的总体目标是提供一份逐步计算多感官整合程度的教程,以促进在不同临床人群和年龄范围内开展创新且具有转化意义的多感官研究。
如上所述并由Gondan及其同事阐明,保留个体的反应时(RT)数据集非常重要25,28即应避免剔除极慢反应时(RT)的数据修剪程序,因其会对反应时分布产生固有偏差;25 相反,应将遗漏的反应和缓慢的反应时间设为无穷大。此步骤至关重要,若不遵守这些简单规则,将导致多感官整合结果不准确。此外,对竞赛模型的显著性检验应仅针对研究队列中识别出的RMI违反部分的组平均数据进行(即不应 先验的 指定窗口
就局限性而言,当前的实验设计基于对呈现在相同位置且精确同步呈现的双侧刺激进行简单...
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不存在任何需要报告的利益冲突,作者无任何事项需要披露。
本研究工作由美国国立卫生研究院国家衰老研究所(资助号:K01AG049813,授予 JRM)提供支持。额外资助来自阿尔伯特·爱因斯坦医学院雷斯尼克老年医学中心。特别感谢所有志愿者和研究团队成员为本项目提供的卓越支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 刺激发生器 | Zenometrics, LLC; Peekskill, NY, USA | n/a | 定制构建 |
| Excel | Microsoft Corporation | 电子表格程序 | |
| Eprime | Psychology Software Tools (PST) | 刺激呈现软件 |
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