本文介绍如何设置一项实验,以利用脑磁图(MEG)检测物体感知前的源水平影响。内容涵盖刺激材料、实验设计、MEG记录以及数据分析。
本文介绍如何设置一项实验,以利用脑磁图(MEG)检测物体感知前的源水平影响。内容涵盖刺激材料、实验设计、MEG记录以及数据分析。
刺激前的脑内振荡活动会影响即将发生的感知。这种刺激前活动的特征可以预测近阈值刺激是否会被感知,但它们是否也能预测在两个具有不同感知内容的竞争性刺激中,哪一个会被感知?模糊的视觉刺激在任一时刻可被看作两种可能之一,因此非常适合用于研究这一问题。脑磁图(Magnetoencephalography, MEG)是一种神经生理学测量技术,用于记录大脑活动所产生的磁信号。MEG具有毫秒级的时间分辨率,仅需1秒的记录数据即可对脑振荡状态进行表征。因此,在模糊刺激呈现前约1秒展示空白屏幕,可提供一个时间窗口,用于研究刺激前的振荡活动是否会影响后续感知的内容,该影响可通过受试者的报告来体现。MEG的空间分辨率虽非极佳,但足以在厘米尺度上定位脑活动的来源。通过对MEG信号进行源重建,可进一步检验特定感兴趣区域的振荡活动假设,以及感兴趣区域之间在时间和频率上解析的功能连接。本方案有助于更深入理解自发性、持续性脑活动对视觉感知的影响。
刺激呈现前的大脑状态会影响个体对刺激的感知方式,以及与感知相关的神经反应1,2,3,4。例如,当刺激强度接近感知阈值(近阈值)时,刺激前的神经振荡功率、相位和功能连接性可能影响即将到来的刺激是否会被感知5,6,7,8,9,10。这些刺激前信号还可能影响感知的其他方面,例如感知对象的内容。
向受试者呈现一种可被理解为两种不同含义之一的模糊图像,是研究物体感知的理想方法11。这是因为感知的主观内容可以是两个物体中的任意一个,而实际刺激保持不变。因此,可以评估当受试者报告感知到刺激的某一种或另一种可能解释时,其记录的脑信号在不同试验之间的差异。根据这些报告,还可以进一步探究在刺激呈现之前,大脑状态是否存在任何差异。
脑磁图(MEG)是一种功能神经影像技术,用于记录大脑神经电活动所产生的磁场。与血氧水平依赖(BOLD)信号的时间分辨率在秒级不同,MEG具有毫秒级的时间分辨率,因此可用于研究发生在极短时间内尺度的脑机制。MEG的另一优势在于,它能够利用较短时间的记录数据来表征脑状态,这意味着实验试次可以缩短,从而在一次实验会话中容纳更多试次。此外,MEG支持频域分析,可揭示脑的振荡活动。
除了具有高时间分辨率外,脑磁图(MEG)还具备良好的空间分辨率。通过源重建技术12,可以将传感器层面的数据投影到源空间,从而能够检验关于特定感兴趣区域活动的假设。最后,尽管传感器空间中的信号高度相关,因此无法准确评估传感器之间的连接性,但源重建能够降低源信号之间的相关性,从而实现对感兴趣区域之间连接性的评估13。这些连接性估计可在时间和频率域中分别进行解析。
鉴于这些优势,脑磁图(MEG)非常适合用于研究特定感兴趣区域中刺激前效应对物体感知的影响。在本报告中,我们将说明如何设计此类实验以及MEG数据采集系统的设置,同时介绍如何进行源重建,并评估振荡活动与功能连接性。
本方案遵循萨尔茨堡大学人类研究伦理委员会的指南,并符合《赫尔辛基宣言》的规定。
1. 准备刺激材料
2. 设置脑磁图(MEG)和刺激设备
3. 为参与者准备脑磁图实验
注意:MEG 数据采集的详细信息此前已有描述15。
4. 使用 Psychtoolbox 呈现实验16
5. 在实验过程中监测 MEG 信号及受试者状态
6. 预处理和分割脑磁图信号
7. 源重建
8. 分析感兴趣区域的刺激前振荡功率
9. 分析感兴趣区域之间的刺激前连接性
10. 统计比较面孔与花瓶刺激前的功率或相干性谱
我们向参与者短暂且重复地呈现了鲁宾的面孔/花瓶错觉图像,并要求参与者在每次试验后报告他们的知觉(面孔还是花瓶?)(图1)。每次试验前均有一段至少1秒的空白屏幕(含注视十字),此为空白刺激前感兴趣的时间区间。
我们探讨了在感兴趣区域中的刺激前振荡功率,或感兴趣区域之间的刺激前功能连接,是否会影响对即将出现的模糊刺激的知觉报告。因此,作为第一步,我们将数据投影到源空间,以便能够从相关感兴趣区域(ROI)中提取信号。
根据以往研究使用模糊21和非模糊22刺激探究面孔与物体感知的文献,我们确定梭状回面孔区(FFA)为感兴趣区域(ROI)。随后,我们分析了FFA源信号的低频段(1–40 Hz)频谱成分,并将被试报告为“面孔”的试验频谱估计值与报告为“花瓶”的试验频谱估计值进行对比。采用基于聚类的置换检验,对1–40 Hz频率范围进行聚类,比较被试报告为“面孔”与“花瓶”时的频谱功率,结果显示两种试验类型之间无显著差异。然而,从描述性角度看,功率谱显示出预期的8–13 Hz范围内的α振荡波峰,以及较弱的13–25 Hz范围内的β频段活动(图2)。
在发现刺激前频谱功率无差异后,我们进一步探究了不同试验类型之间是否存在刺激前功能连接的差异。除了FFA外,由于V1在视觉过程中普遍存在作用,我们将其确定为第二个感兴趣区域(ROI)。根据功率分析的结果,我们选取8-13 Hz作为感兴趣的频率范围。我们分别针对识别人脸和花瓶的试验,计算了两个ROI之间随时间和频率变化的相干性虚部,并对感兴趣频率范围内的结果进行平均。该指标反映的是脑区间振荡相位的同步性,并能保守地控制MEG源重建中的容积传导效应19,因此被选为评估功能耦合的方法。采用基于簇的置换检验,对-1至0秒的时间点进行聚类分析,比较被试报告看到人脸与花瓶时V1与FFA之间的虚相干性,结果显示,在刺激呈现前约700毫秒,人脸试验的刺激前功能连接强度高于花瓶试验(图3)。

图1:实验试次结构与原始数据示例。底部面板:一个试次以呈现注视十字开始。经过1至1.8秒后,呈现Rubin刺激150毫秒,随后呈现掩蔽刺激200毫秒。接着出现反应屏幕,提示参与者选择“人脸”或“花瓶”。顶部面板:来自一名示例参与者的多通道原始数据,以刺激 onset 为时间锁定点,并对所有试次进行平均。此图为示意图,用于突出显示刺激前分析时间窗(-1秒至0秒;以粉红色高亮),该时间窗将作为分析的目标区间。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:FFA 中的频谱功率。来自源定位 FFA 信号在面孔和花瓶试验中的频谱功率估计值。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:V1与FFA之间的连接性。在8-13 Hz频率范围内,源定位的V1与FFA信号在面孔和花瓶试验中的相干性虚部。阴影区域表示被试内设计的平均值标准误23。 请点击此处查看该图的放大版本。
呈现一种随时间可被解读为多种物体但任一时刻仅能被感知为一种物体的独特刺激,有助于研究刺激前状态对物体知觉的影响。通过这种方法,可将刺激前的脑状态与被试对所感知物体的主观报告相关联。在实验室环境中,具有两种可能解读方式的模糊图像(例如鲁宾花瓶错觉)提供了一个理想案例,使得研究者能够直接对比两类试验中的脑活动:一类被感知为某种物体(例如“人脸”),另一类被感知为另一种物体(例如“花瓶”)。
短暂呈现这些刺激(<200 ms),可确保被试在单次试验中仅看到并随后报告刺激的两种可能解释中的一种。在不同被试间交替使用黑花瓶/白面孔和白花瓶/黑面孔两种刺激版本(随机轮换),可降低低层次刺激特征对后续分析的影响。刺激呈现后立即呈现掩蔽刺激,可防止残像形成并避免对被试反应造成偏差。由于对刺激 onset 后时间段的分析并非关注重点,因此无需匹配刺激与掩蔽刺激之间的低频特征。最后,在不同被试间交替设置反应按键(例如,左侧按键对应花瓶,右侧按键对应面孔,或相反),可避免因运动准备活动而影响对比结果。
由于MEG具有毫秒级的时间分辨率,即使仅1秒长的刺激前时段也足以估算频谱功率和功能连接性等指标。由于每个试次的持续时间较短,一次实验过程中可容纳大量试次,从而在对多个试次的MEG信号进行平均时,确保较高的信噪比。
已有研究表明,在物体感知过程中,特定的类别敏感性感兴趣区域会表现出活动性24,25。例如,梭状回面孔区(FFA)被广泛报道参与面孔感知过程22。为了研究来自特定源的测量活动所产生的效应,可以对脑磁图(MEG)数据进行源重建。为了研究源之间的连接性,源重建是必要的步骤。为了便于源数据的分析,单次试验的源水平数据可通过“虚拟传感器”来表示。以这种方式表示数据,使得研究者能够在源空间和传感器空间中以完全相同的方式分析单次试验的源数据(即使用相同的分析函数,例如使用Fieldtrip工具箱)。这使得对特定感兴趣区域活动的假设能够以一种直接的方式进行检验。
尽管已有研究表明,刺激前振荡功率会影响接近感知阈限的刺激检测(感知到与未感知到),但其是否会影响所见内容的具体知觉尚不明确。本文对比了被试报告看到面孔与花瓶时,梭状回面孔区(FFA)在刺激前的振荡功率,结果未发现统计学上的显著差异。随后,我们进一步检验了V1与FFA之间的功能连接是否影响即将发生的知觉报告,发现面孔知觉试次在刺激呈现前约700 ms时,V1与FFA在alpha频段(alpha频率范围)的连接性增强。由于我们未在alpha功率上发现效应,而仅在alpha频段的功能连接中发现效应,这表明刺激前alpha功率可能影响刺激的检测7,8,但未必影响物体的类别识别。因此,我们的结果表明,要更全面地理解物体知觉前的振荡动态及其对后续知觉的影响,仅分析感兴趣脑区的振荡功率是不够的。相反,必须考虑脑区间连接性的变化,因为这些连接强度的持续波动可能偏向后续的知觉结果18。最后,尽管脑磁图(MEG)的空间分辨率并非最优,但本研究方案表明,仍可清晰识别出感兴趣脑区并探究其相互关系。MEG可优于脑电图(Electroencephalography, EEG),因其具有更高的空间分辨率;同时也可优于功能磁共振成像(fMRI),因其具有更高的时间分辨率。因此,结合源定位重建的MEG技术非常适用于研究快速且局部化的神经活动过程。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由奥地利科学基金FWF(Imaging the Mind:Connectivity and Higher Cognitive Function,项目编号W 1233-G17,授予E.R.)以及欧洲研究理事会资助项目WIN2CON(ERC StG 283404,授予N.W.)支持。作者谨此感谢Nadia Müller-Voggel、Nicholas Peatfield和Manfred Seifter对本实验方案的贡献与支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 数据分析软件 | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23321N | Elekta 标准数据分析软件,包含 MaxFilter 2.2 版本 |
| 数据分析工作站 | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM20998N | MEG 记录用计算机及软件 |
| 头部位置线圈套件 | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23880N | 5 个头部位置指示器(HPI)线圈 |
| Neuromag TRIUX | Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN | NM23900N | 306 通道脑磁图系统 |
| Polhemus Fastrak 3D | Polhemus, VT, USA | 三维头部数字化系统 | |
| PROPixx | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-PRO-5001C | 投影仪与数据采集系统 |
| RESPONSEPixx | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-ACC-4910 | 与 MEG 兼容的响应采集手持控制面板系统 |
| 屏幕 | VPixx Technologies Inc., QC, CANADA | VPX-ACC-5180 | 与 MEG 兼容的背投屏幕,含支架和框架 |
| VacuumSchmelze AK-3 | VacuumSchmelze GmbH & Co. KG, Hanau, GERMANY | NM23122N | 双层磁屏蔽室 |
| 软件 | 版本 | ||
| Fieldtrip | 开源 | FTP-181005 | fieldtriptoolbox.org |
| Matlab | MathWorks, MA, USA | R2018b | mathworks.com/products/matlab |
| 心理物理学工具箱 | 开源 | PTB-3.0.13 | psychtoolbox.org |