選擇性視覺注意任務(wù)中高警覺與低警覺條件下獎(jiǎng)賞對P300和EEG的解離效應(yīng)

1.研究背景

①雖然我們在日常生活中不斷受到視覺信息的影響，但我們處理這些信息的視覺能力是有限的。為了高效、目標(biāo)導(dǎo)向地完成任務(wù)，我們需要不斷地將相關(guān)信息從視覺環(huán)境中區(qū)分出來，并將有限的注意力分配給所選擇的目標(biāo)對象，這種現(xiàn)象被稱為選擇性視覺注意。選擇性視覺注意的特征是：過濾任務(wù)無關(guān)刺激的能力和處理任務(wù)相關(guān)信息的能力有限。這兩種能力都會導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)量增加時(shí)的準(zhǔn)確性降低。

②心理疲勞是由長時(shí)間的認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)引起的。心理疲勞是一個(gè)累積的過程，伴隨著懶散感、動力下降和表現(xiàn)受損。更重要的是，心理疲勞表現(xiàn)更多的是認(rèn)知因素而不是喚醒。目前可分為兩種類型的心理疲勞：睡眠和任務(wù)相關(guān)。前者來自于累積的睡眠，而后者則來自于長期的任務(wù)投入。在本研究中，旨在關(guān)注任務(wù)相關(guān)的心理疲勞，特別是與注意資源相關(guān)的心理疲勞。需要長時(shí)間完成任務(wù)的注意力是指警惕性下降。在早期的研究中，圍繞警惕性降低或精神疲勞出現(xiàn)了三個(gè)核心概念，即主動疲勞、被動疲勞和動機(jī)控制。主動疲勞是在長時(shí)間內(nèi)完成一項(xiàng)任務(wù)所需的過度工作量，導(dǎo)致認(rèn)知資源耗盡的結(jié)果。被動疲勞是指從事較長時(shí)間、但相對簡單的任務(wù)所需的工作量較低的結(jié)果。動機(jī)控制在警惕性降低中起著重要作用，因?yàn)樗从沉藞?zhí)行任務(wù)的意愿水平。動機(jī)控制與潛意識平衡成本和收益的過程相聯(lián)系，以消耗或保存能量。Boksem和Tops(2008)提出了一個(gè)整合了動機(jī)控制和精力成本的精神疲勞框架，該框架認(rèn)為當(dāng)精力資源耗盡時(shí)，人們將不再保持他們的表現(xiàn)，盡管成本超過了收益。

③警惕性降低的風(fēng)險(xiǎn)已引起廣泛關(guān)注，但其潛在的神經(jīng)生理機(jī)制尚未明確。本文通過提供相應(yīng)的金錢獎(jiǎng)勵(lì)來研究動機(jī)對延長任務(wù)績效的影響。盡管許多研究表明，在長期任務(wù)后提供金錢獎(jiǎng)勵(lì)可以提高績效，這種改進(jìn)所基于的神經(jīng)機(jī)制尚未建立。此外，在不同(即高警戒vs低警戒)狀態(tài)下，獎(jiǎng)勵(lì)對績效的影響還很少被研究。于是本研究探討動機(jī)對高、低警惕性狀態(tài)下行為表現(xiàn)和腦電生理的影響。

2.研究方法

2.1、被試

20名健康大學(xué)生被試(8名男性)，年齡在18 - 28歲之間（M = 21.9，SD = 2.4）。

所有被試沒有吸煙史、睡眠問題、或使用處方藥物，沒有人上夜班。視力或矯正視力正常，右利手。

2.2、實(shí)驗(yàn)材料

采用了Eriksen and Flanker任務(wù)中的一個(gè)版本。用一個(gè)中心目標(biāo)字母(M/N)和四個(gè)雙側(cè)字母(N/M)刺激5個(gè)字母串。與原始版本的H和S相比，字母M和N更加相似，復(fù)雜度增加。一致性試次(MMMMM或NNNNN)，非一致性試次(MMNMM或NNMNN)。 

2.3、實(shí)驗(yàn)過程

所有的刺激都在黑色背景下的以白色呈現(xiàn)在電腦屏幕中央。任務(wù)開始時(shí)，屏幕中央有一個(gè)注視點(diǎn)(0.32° × 0.32°) 。1000ms后，呈現(xiàn)5個(gè)字母的字符串200ms（每一個(gè)字母的高度和寬度為0.24°視角，字母間距為0.05°以增加錯(cuò)誤率）。為了讓被試做出反應(yīng)，有一個(gè)時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔一直持續(xù)到被按下反應(yīng)鍵或直到600ms。另外設(shè)置200ms的間隔讓被試意識到可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤反應(yīng)。最后，根據(jù)反應(yīng)時(shí)間的不同，給出了1000 ~ 1500 ms的任務(wù)成績反饋。在0.5 cm的寬度處給予反饋(正確、錯(cuò)誤或遺漏)。每個(gè)試次共持續(xù)3 s。試次結(jié)構(gòu)如圖1所示。一致(60%)和不一致(40%)試驗(yàn)以隨機(jī)順序呈現(xiàn)。

在一致性試驗(yàn)(MMMMM或NNNNN)中，目標(biāo)字母(五個(gè)字母串中的中間字母)與雙側(cè)字母相同，而在非一致性試驗(yàn)(MMNMM或NNMNN)中，目標(biāo)字母與雙側(cè)字母不同。要求被試在保持較高準(zhǔn)確度的前提下，在目標(biāo)為M時(shí)用左手食指按下左鍵，在目標(biāo)為N時(shí)用右手食指按下右鍵。

獎(jiǎng)勵(lì)：

主試告知被試，在一個(gè)或幾個(gè)組塊內(nèi)，每答對一個(gè)問題，他們就會得到獎(jiǎng)金，不會因?yàn)殄e(cuò)誤或失誤而損失金錢。除了基本金額50元（約6.4歐元）的支付外，參與者最多可以獲得100元（約12.8歐元）。當(dāng)操縱動機(jī)時(shí)，錢的數(shù)量被評估成一定比例的學(xué)生每月花費(fèi)。為了保持獎(jiǎng)勵(lì)的有效性，他們強(qiáng)調(diào)，如果獎(jiǎng)勵(lì)塊的平均準(zhǔn)確率超過90%，他們將獲得獎(jiǎng)勵(lì)；否則，他們會失去它。對于獎(jiǎng)勵(lì)塊中的反饋，正確的回答correct加上+ RMB的寬度為1 cm，錯(cuò)誤或錯(cuò)過的回答與非獎(jiǎng)勵(lì)塊相似。

圖1 .試驗(yàn)設(shè)計(jì)的步驟和任務(wù)的試次結(jié)構(gòu)

執(zhí)行第14任務(wù)組以誘導(dǎo)警惕性降低。為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)束的預(yù)期效應(yīng)，在有獎(jiǎng)勵(lì)的第6組塊之后，再執(zhí)行無獎(jiǎng)勵(lì)的第7組塊。在實(shí)驗(yàn)過程中沒有休息，也沒有任何主觀的問卷調(diào)查來保持任務(wù)表現(xiàn)和避免。實(shí)驗(yàn)期間沒有休息，也沒有任何主觀的問卷調(diào)查，以保持任務(wù)表現(xiàn)，避免短暫休息緩解疲勞的影響。為了保持任務(wù)表現(xiàn)，要求被試將注意力集中在屏幕中央的目標(biāo)字母上。通過屏幕上的提示指示被被試獎(jiǎng)勵(lì)塊的開始和結(jié)束。在任務(wù)結(jié)束時(shí)，計(jì)算獎(jiǎng)勵(lì)塊的平均準(zhǔn)確性，以確定他們是否會得到獎(jiǎng)金。

2.4、數(shù)據(jù)采集和處理

①使用64導(dǎo)聯(lián)腦電帽采集EEG數(shù)據(jù)，根據(jù)國際10-20系統(tǒng)放置。采用ANT Neuro EEG放大器記錄EEG信號，采樣頻率為500Hz，并記錄水平和垂直眼電，阻抗保持在10 KΩ以下，EEG在線參考電極為CPz。

②在離線分析中，對EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行50Hz陷波濾波、0.5 Hz-30 Hz濾波。去除直流分量后，采用小波閾值法對EEG信號進(jìn)行去噪，其中小波系數(shù)閾值設(shè)為abs(M ± 3 × SD)。當(dāng)小波系數(shù)絕對值超過閾值時(shí)，將小波系數(shù)重置為平均值的四分之一。轉(zhuǎn)換參考為雙側(cè)乳突的平均值(M1, M2)。提取刺激發(fā)生前200 ms至刺激發(fā)生后800 ms的ERP時(shí)間段。最后，通過使用Icasso軟件，由視覺檢查去除獨(dú)立偽跡成分(如眨眼、動作等)。

③通過2 × 2比較分析，分別為第1區(qū)塊無獎(jiǎng)勵(lì)高警戒(NRHV)、第2區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)高警戒(RHV)、第5區(qū)無獎(jiǎng)勵(lì)低警戒(NRLV)和第6區(qū)獎(jiǎng)勵(lì)低警戒(RLV)。

行為分析：

準(zhǔn)確率和反應(yīng)時(shí)；準(zhǔn)確率計(jì)算為每個(gè)區(qū)塊中正確反應(yīng)的百分比，反應(yīng)時(shí)只分析100-600ms之間。

分析警戒狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)對任務(wù)績效的主要影響和交互作用，以及一致性(一致vs.不一致)對準(zhǔn)確性、RT和忽略反應(yīng)的影響。

ERP分析：

用MATLAB 2015b進(jìn)行分析。首先，剔除振幅超出75μV和基線值超出30μV試次，然后從波形中減去刺激開始前200 ms的基線值。接下來，對每個(gè)被試的試次進(jìn)行平均。在所有被試中，NRHV、RHV、NRLV和RLV的平均試次數(shù)(括號中為SD)分別為236(82)、232(65)、234(64)和238(64)。根據(jù)一些早期的研究選擇8個(gè)電極(FC1, FC2, FCz, C1, C2, Cz, CP1, CP2)進(jìn)行P300分析。選取P300成分的時(shí)間窗口為440 ~ 660 ms。P300潛伏期值計(jì)算為P300成分時(shí)間窗內(nèi)振幅最大的時(shí)間。

EEG譜分析：

采用連續(xù)小波變換(CWT)計(jì)算ERSP，評估EEG的頻譜功率。CWT分析采用復(fù)Morlet小波，以1.5 Hz為中心頻帶，選擇1 ~ 30 Hz的頻率寬度，頻率步長為0.5 Hz，在每個(gè)采樣瞬間對時(shí)變信號進(jìn)行評估。此外，將功率譜與從-1000到0 ms基線的減數(shù)變化歸一化。為了量化震蕩變化，在分析兩個(gè)頻段時(shí)重點(diǎn)考慮了單獨(dú)的時(shí)間窗。根據(jù)不同頻段的最大功率，對delta波段(1-4Hz)的統(tǒng)計(jì)分析在440-660 ms時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行，對theta波段(4-8Hz)的統(tǒng)計(jì)分析在300-600 ms時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行。

統(tǒng)計(jì)分析：

2 （警覺狀態(tài)：高，低）× 2 獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)（有，無）重復(fù)測量方差分析；

2 （試次一致性：一致，不一致）× 2 （警覺狀態(tài)：高，低）× 2 獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)（有，無）重復(fù)測量方差分析。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

行為結(jié)果：

圖2. (A)準(zhǔn)確性(ACC)、(B)反應(yīng)時(shí)間(RT)和(C)省略反應(yīng)(省略)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(SDs)/ sqrt (被試)。B表示block（例如，B1表示block1）；B2和B6采用了金錢獎(jiǎng)勵(lì)

準(zhǔn)確率顯著下降，反應(yīng)時(shí)和漏報(bào)反應(yīng)顯著增加。

ERP結(jié)果：

圖3 A  P300波形(左)取自FC1、FC2、FCz、C1、C2、Cz、CP1和CP2電極的平均值，四種情況下的地形(中)，以及獎(jiǎng)賞與非獎(jiǎng)賞狀態(tài)下的P300波形合并(右)

P300成分振幅，獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)的主效應(yīng)顯著，警覺狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)的交互效應(yīng)顯著。在無獎(jiǎng)勵(lì)條件下，P300成分振幅隨警覺性降低而降低，但在獎(jiǎng)勵(lì)條件下，低警覺狀態(tài)和額高警覺狀態(tài)無顯著差異。分別在低警覺狀態(tài)和高警覺狀態(tài)下測試獎(jiǎng)勵(lì)效果時(shí)，獎(jiǎng)勵(lì)改善僅在低警覺狀態(tài)下出現(xiàn)。

P300成分振幅，試次一致性的主效應(yīng)顯著，在一致性試次條件下振幅較高。

圖3 B中，P300振幅在四種情況下(左)和兩個(gè)主要因素(右)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，HighV（高警覺）= (NRHV + RHV)/2, LowV（低警覺）= (NRLV + RLV)/2, NReward(無獎(jiǎng)勵(lì))= (NRHV + NRLV)/2, Reward(獎(jiǎng)勵(lì))= (RHV + RLV)/2   ?p < 0.05 and ??p < 0.01

圖4 A. 高警覺狀態(tài)和低警覺狀態(tài)的ERP波形（獎(jiǎng)勵(lì)和無獎(jiǎng)勵(lì)合并），圖4B 四種實(shí)驗(yàn)條件下P300潛伏期和差異（左），警覺狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)（右）

P300 潛伏期，警覺狀態(tài)的主效應(yīng)顯著，警覺狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)的交互效應(yīng)顯著。相比于無獎(jiǎng)勵(lì)和有獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)下的高警覺狀態(tài)，低警覺狀態(tài)的P300潛伏期增加。比較在高低警覺狀態(tài)下和在低警覺狀態(tài)下的有獎(jiǎng)勵(lì)和無獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)的效果，發(fā)現(xiàn)在操作動機(jī)后，高警覺狀態(tài)的P300潛伏期增加。

P300潛伏期，試次一致性的主效應(yīng)顯著。一致性試次的P300潛伏期比不一致試次更短。

ERPs和行為表現(xiàn)之間的相關(guān)

圖5 ?p < 0.05 and ??p < 0.01

準(zhǔn)確率和P300潛伏期呈顯著負(fù)相關(guān)，與P300振幅呈顯著正相關(guān)；RT和漏報(bào)次數(shù)與P300振幅呈顯著負(fù)相關(guān)，與P300振幅呈顯著正相關(guān)。

ERSP分析

圖6 . 所有被試在四種條件下的時(shí)頻圖

圖解：四種實(shí)驗(yàn)條件下的時(shí)頻表征(在F1、F2、Fz、FC1、FC2、FCz、C1、C2、Cz、CP1和CP2電極上平均)。在440-660 ms的時(shí)間窗內(nèi)，可以看到頻率約為1 4hz的清晰調(diào)制。在四種條件下，大約4-8 Hz的可分離調(diào)制(在300 500 ms的時(shí)間窗口)在視覺上比1 4 Hz更早出現(xiàn)。相應(yīng)的頻帶和時(shí)間窗口用虛線框表示。

圖7  四種實(shí)驗(yàn)條件下功率調(diào)制的時(shí)間波形和δ (A)和θ (B)波段的地形圖

圖解：theta波段的地形分布(右)和功率波形(左)(平均值)（4-8 Hz），額葉電極(F1, F2, Fz，F(xiàn)C1, FC2, FCz)

2（警覺狀態(tài)）× 2（獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)）方差分析，delta頻段功率：

警覺狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)的交互作用顯著，在無獎(jiǎng)勵(lì)狀態(tài)條件下，高警覺狀態(tài)下的delta波功率大于低警覺狀態(tài)。

在低警覺狀態(tài)下，獎(jiǎng)勵(lì)對delta波功率有影響。

在theta波段，警覺狀態(tài)的主效應(yīng)顯著。在無獎(jiǎng)勵(lì)條件下，低警覺狀態(tài)的theta波功率小于高警覺狀態(tài)下的theta波功率；在高低警覺狀態(tài)下，獎(jiǎng)勵(lì)均不起作用。

4、結(jié)論

警惕性降低對行為和電生理指標(biāo)均有調(diào)節(jié)作用。通過操縱獎(jiǎng)勵(lì)，神經(jīng)認(rèn)知過程只能部分恢復(fù)。特別是，在高警惕性和低警惕性狀態(tài)下，使用獎(jiǎng)勵(lì)增加動機(jī)對大腦激活的影響是不同的，低警惕性狀態(tài)下的改善比高警惕性狀態(tài)下的改善更明顯。與疲勞相關(guān)的P300反應(yīng)潛伏期的降低并沒有隨著獎(jiǎng)賞而恢復(fù)，而P300振幅則增加到與高警戒狀態(tài)相同的水平。δ波段的譜功率特別地因動機(jī)而增加，而θ波段的降低并沒有因獎(jiǎng)勵(lì)而恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)為低警惕性和高警惕性狀態(tài)下動機(jī)的分離效應(yīng)提供了證據(jù)，并可能驗(yàn)證了整合預(yù)期回報(bào)和精力成本評估的精神疲勞框架。

5、文獻(xiàn)名稱及DOI號

 Liu, J., Zhang, C., Zhu, Y., Liu, Y., & Parviainen, T.. (2020). Dissociable effects of reward on P300 and EEG spectra under conditions of high vs. low vigilance during a selective visual attention task. Frontiers in Human Neuroscience, 14, 207.

DOI：10.3389/fnhum.2020.00207