在視覺Oddball任務中快量化速光信號和事件相關(guān)信號的潛在關(guān)系

1.研究背景

事件相關(guān)電位 (ERP) 曾用于確認快速光信號 (fast optical signal, FOS) 的存在，但驗證方法主要限于探索 FOS 峰值與 ERP 峰值的時間對應關(guān)系。本研究的目的是在時域和頻域中系統(tǒng)地量化 FOS 和 ERP 對視覺Oddball任務的反應之間的關(guān)系。

2.研究方法

2.1 被試

共15名有效被試被招募，其中男性5名，女性10名。

2.2 實驗材料

實驗包含視覺刺激。標準刺激為字母A,B,C,D，偏差刺激為愛因斯坦面孔圖片。

2.3 實驗過程

每個參與者參加了 2 次測試，測試間最多相隔 30 天。測試時，參與者坐在一個光線昏暗的房間里，面對著顯示任務范例的電腦屏幕。每個測試以 30 秒的基線期開始，在此期間，計算機屏幕上會出現(xiàn)一個注視十字，然后是 10 個視覺Oddball任務block。每個block包含 100 個試次。20%的刺激為偏差刺激。每個block之間休息時間由參與者決定。具體流程見圖1。

圖1. 實驗任務流程。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

使用頻域近紅外光譜儀（來自 ISS Inc., Champaign, IL 的 Imagent Functional Brain Imaging System）以 62.5 Hz 的采樣率收集 NIRS 測量值。使用定制的皮革頭帶將 690 nm 和 830 nm 波長配對的五個激光二極管光源和 4 個光電倍增管探測器放置在參與者的前額上。頭帶上系著一塊黑布，以阻擋外界光線。源和檢測器位于 3 cm 距離處，如圖 2 所示。源-檢測器配置啟用了跨越前額葉皮層的每個波長的 11 個測量通道。

實驗需要分析來自 690 nm 和 830 nm 波長源的相位延遲和 DC 強度 FOS 測量值。相位數(shù)據(jù)是使用快速傅立葉變換 (FFT) 獲得的，針對相位纏繞進行校正，并參考相應的 690 nm 和 830 nm 中間通道 C3，以獲得相對相位延遲數(shù)據(jù)。

EEG數(shù)據(jù)由250 Hz 的采樣率收集。六個電極放置在選定的 International 10-10 系統(tǒng)位置的 NIRS 頭帶周圍，參考電極位于乳突，接地電極位于 AFz（圖 2）。用雙面膠將電極放置在參與者的皮膚上。

圖2. NIRS源-探測器和EEG導聯(lián)分布。

3.實驗結(jié)果

3.1 ERP結(jié)果

平均了100個試次ERP波形在偏差刺激出現(xiàn)后200ms出現(xiàn)正波峰，在300-500ms后出現(xiàn)負波（圖3）。

圖3. 100個試次的ERP平均波形

3.2 FOS結(jié)果

當平均 400 個試次，DC 強度在偏差刺激呈現(xiàn)后 150 到 250 ms間降低。FOS 對偏差刺激的反應發(fā)生在左側(cè)前額葉皮層通道中，也發(fā)生在一些參與者最遠的右側(cè)通道中。

3.3 FOS-ERP的時間地標相關(guān)性

在 9 名參與者中發(fā)現(xiàn)了FOS 和 ERP 偏差刺激的峰值之間的非零相關(guān)性；然而，僅在 7 名參與者中發(fā)現(xiàn)了具有統(tǒng)計學意義的相關(guān)性（p < 0.05）。200 毫秒左右的 FOS 負峰與 6 名參與者的正 ERP 峰顯著相關(guān)。對于 1 名參與者，還發(fā)現(xiàn) 300 ms 處的負 ERP 與 275 ms 左右的負 FOS 峰值之間存在顯著相關(guān)性。

3.4 FOS-ERP光譜關(guān)系

由偏差刺激引發(fā)的FOS 和 ERP 反應的一致性在 3-5 Hz 頻率范圍內(nèi)具有統(tǒng)計學意義（p < 0.01）。圖 3 顯示了 2-20 Hz 頻率范圍內(nèi)所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對的相干值示例。圖 4 中顯示了所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對于偏差刺激的響應之間的大平均相干性。

圖4. 2-20 Hz 頻率范圍內(nèi)所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對的相干值

圖5. 所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對于偏差刺激的響應之間的大平均相干性

4.結(jié)論

這項研究量化了視覺Oddball任務期間前額葉皮層中 FOS 和 ERP 反應之間的相關(guān)性。通過NIRS 信號的直流強度測量，在 15 名參與者中的 10 名中發(fā)現(xiàn)了對偏差刺激的 FOS 反應。使用相位延遲測量未發(fā)現(xiàn) FOS 響應。在 FOS DC 強度和 ERP 對視覺的反應之間的時域和頻域中發(fā)現(xiàn)了顯著的相關(guān)性。

5.參考文獻及DOI號

Proulx, N., Samadani, A.A. and Chau, T., 2018. Quantifying fast optical signal and event-related potential relationships during a visual oddball task. Neuroimage, 178, pp.119-128.

DOI：10.1016/j.neuroimage.2018.05.031