（生物医学工程专业论文）用于近红外脑功能检测仪的实验范式软件开发.pdf

ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract the near-infrared brain functional instrument is an important approach to research the working memory in human brain .it is a noninvasive optical approach to detect the prefrontal cortex which is one of the key cortex in different working memory processes. working memory model refers to a mental system that provides temporary storage and manipulation of the information. working memory is necessary for the high level cognitive tasks such as language, learning and consequence. in order to apply the system to practice, the experiment software has been developed. in this thesis, we choose the storage and the manipulation of the working memory, and two experiments each. the four experiments are: item recognition experiment of verbal and spatial storage working memory, digit span experiment of digit storage working memory, the chinese words encoding experiment of language manipulation, the m ental arithmetic experiment of arithmetic manipulation. we designed the four experiments paradigm to the near-infrared spectroscopy imaging system. the visual c+ was adopted to program the experiment procedure. the program presents the task according to the paradigm, meanwhile records the behavior data of the experiment. we use the near-infrared brain functional instrument. and we analyze the oxyhemoglobin data and the behavior data. according to the behavior and the measurement results of the experiments, the four paradigms designed activated prominent response in the prefrontal cortex. separate discussion of the response data lead to a result where the tasks basic response area in the prefrontal cortex is. the result of the item recognition experiment suggest that the verbal working memorys response area is left prefrontal cortexba91046, while the spatial working memorys is right prefrontal cortexba91046. the result of the digit span experiment suggest that forward and backward digit spans response area are different. the result of the chinese words encoding experiment suggest that the response area of chinese words encoding is left prefrontal cortexba1046. the result of the mental arithmetic experiment suggest that this work was supported by the 111 project iii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 different response areas are found when tasks difficulty changed. integrative discussion of the response data suggest that different function means different mechanism and different response area, and different response areas are found when tasks difficulty changed. in conclusion, experiment software in near-infrared brain functional instrument has been developed and is proved to be correct. keywords: working memory near-infrared brain functional instrument prefrontal cortex hemoglobin 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和 集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借 阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日日期 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 概述 1.1 记忆与工作记忆 记忆是大脑的重要功能之一认知科学研究中记忆的概念比起一般而言的记忆 要复杂1从成分上看它包含了编码储存和提取等不同的成分从功能上看 它包含了程序记忆系统非陈述性记忆知觉表征系统语义记忆系统初级记 忆系统情景记忆系统等从提取方式上看又可分为内隐记忆和外显记忆近年 来对于记忆的研究一直是脑科学研究的热点对于记忆的机制问题的解释一直是科 学家们努力的方向 在记忆研究过程中的一个经典的记忆模型就是由 baddeley和 hitch 在上世纪70 年代提出的工作记忆模型2,3工作记忆的概念是通过对短时记忆的研究发展起来 的与短时记忆相比工作记忆在接收外界信息的同时进行信息的加工与整合 工作记忆是指信息的暂时存储及其与其他复杂任务的联合运作工作记忆包括 语音回路phonological loop视空间初步加工系统visuospatial sketchpad和中 央执行系统the central executive三种成分中央执行系统主要负责策略注意资 源的分配以及另外两个系统与长时记忆的联系等工作语音回路负责对语音信息的 保持和短时存储可以通过默读刷新或防止衰退它的重要功能在于其能将语音信 息存储起来更能将视觉信息转化为语音信息进行存储提高记忆的效能视空间 初步加工系统则负责视觉空间材料的短时存储和初步加工这里的视觉信息指物体 的位置方向运动等外在属性信息baddeley 在 2000 年又提出了工作记忆的一 个新的子系统情境缓冲区episodic buffer 4 丰富和发展了工作记忆模型情 境缓冲区是容量有限的暂时性储存系统由中央执行功能控制能够有意识地提取 同时反应出所储存的信息并在必要时调控并且修正这些信息 工作记忆的功能主要包括信息的存储和对信息的执行控制存储包括临时存储 和主动复述两个方面, 执行控制包括注意任务管理计划及编码等几个方面工 作记忆被认为是学习语言理解推理判断等许多高级认知功能的基础对于工 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 作记忆的研究已经成为认知神经科学中最活跃的领域之一 1.2 工作记忆研究进展 随着更加可靠的研究方法应用到对工作记忆的研究当中人们对于工作记忆理 论中的一些基本问题的研究得以日益深入使得工作记忆理论模型的研究取得了较 大进展 工作记忆中传统的 baddeley 多成分模型得到了进一步的发展这个理论模型 的丰富和深化使人们对工作记忆的本质有了更全面和更深入的认识对于工作记忆 与其它记忆系统的关系特别是长时记忆的关系问题也有了一定的进展一般认为1 工作记忆的三个子系统语音回路视空间初步加工系统和情境缓冲区均通过中央 执行系统与对应的长时记忆系统如语音和视觉的知觉表征系统语义记忆系统 情景记忆系统等相联系即工作记忆中的内容通过编码等作用进入长时记忆储存 起来而长时记忆中的内容又通过提取等效应进入工作记忆进行加工当然实际 上的过程应该比叙述的要复杂的多如学习的机制问题就有待阐明 对于工作记忆广度有限这一现象的研究表明工作记忆的容量可能主要受两种 因素的影响一个是工作记忆包括视觉和语音等的表征随时间的衰退另一个 是提取过程中来自其他项目的干扰5因此有些研究者认为工作记忆广度实际上 体现的是能够同时加工和提取的记忆资源数量其不仅受短时记忆容量影响也受 提取和加工效能的制约随着研究的深入研究者越来越认识到工作记忆广度这一 任务的复杂性对于各个因素分别在多大程度上影响工作记忆广度是否还有其他 的影响因素等问题还有待于进一步的研究和实验事实的证明 虽然有了以上的进展工作记忆研究中还是存在很多突出的问题这些问题同 样也是工作记忆理论研究的热点方向如工作记忆的机制单一性或多样性问题工 作记忆成分中情境缓冲区的具体功能问题工作记忆中个体差异问题工作记忆与 意识和情绪的关系问题等 工作记忆的理论模型自建立以来已经过了三十多年在取得了大量研究进展的 同时也带来了更多的问题对于这些问题的深入研究以及新问题的提出过程中传 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 统的行为实验动物脑损毁实验以及对于脑损伤者的实验等方法已经不能完全满足 进一步研究的要求理论创新呼唤方法创新越来越多的研究者借助脑检测方法对 工作记忆进行研究取得了长足的进展 大脑皮层的分区方法有多种其中常用大脑的分区方法是 brodmann 分区将 大脑皮层分为 52 个分区如图 1.1 所示本文也采用 brodmann 分区描述某一区域 在大脑皮层的位置 图 1.1 大脑皮层 brodmann 分区示意图上图为外侧面下图为内侧面6 fig. 1.1 schematic diagram of brodmanns area in human brain. top: outside; bottom: inside 对于记忆在大脑中是否有定位定位在哪些位置这个问题历史上一直存在争 论一些对于脑损伤病人的研究似乎可以作为定位的证据然而这种研究存在种种 问题例如样本较少个体差异较大等等脑功能检测方法的发展使研究者可以观 察到大脑在执行认知功能时的活动状况从而为记忆功能的定位问题找到了有力的 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 证据并且这种脑功能检测研究又反过来推动记忆理论模型的进一步发展完善脑 功能检测方法应用于工作记忆的研究取得了一系列的研究成果 1语音回路 行为实验表明语音环路由两个子系统构成7其中一个是临时存储系统其 作用是维持语音记忆的表征时间为数秒钟其内容可被新的信息所取代另一个 是提取系统作用是通过对提取临时存储的内容进行复述默读使语音记忆的内容 维持更长的时间 smith 8 及 fletcher9在相关研究中, 均发现左侧顶叶下部 ba40腹外侧左 侧额叶 broca 区左侧运动前区和补充运动区ba6参与语言材料的被动存 储, 其中语音材料的存储位于后下顶叶脑回总之其定位主要位于大脑左侧半球 对于主动复述的研究8发现 ,腹外侧左侧额叶ba44左侧运动前区和补充运 动区ba6参与语言材料的主动复述smith 等10的研究也表明语音材料主动复 述的脑功能区定位于额叶后部运动前区和补充运动区腹侧和 broca 区而左额 下回broca 区是默读复述对应脑区 2视空间初步加工系统 对于视空间初步加工系统的研究有两种不同的观点其中之一认为脑内的视空 间工作记忆存在特异化的功能区11研究结果表明物体的外在属性如空间相对 位置的加工部位位于前额叶的背外侧区域dlpfc而物体内在属性如大小 形状等的加工则定位于前额叶的腹外侧区域vlpfcba444547另外一 些实验12通过双重任务研究发现空间和物体信息刺激时背外侧前额叶和腹外侧前额 叶对都有激活从而认为视空间初步加工系统并不存在专门的脑功能特异区域物 体的两种属性信息是被大脑整合后而进行处理的 在视空间初步加工系统的偏侧效应问题上smith 等8,13的研究表明空间材料 主要激活部位定位于大脑右侧区域包括顶叶后部枕叶前部运动前区背外侧及 腹外侧前额叶区域另外客体材料被认为也在视空间初步加工系统进行加工但 其定位与空间材料不同smith 等13认为客体材料主要激活左侧腹外侧前额叶及双 侧背外侧前额叶左侧顶叶后部及颞叶下部总之客体材料与空间材料存储之间 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 是存在差别的其差别主要体现在不同的偏侧效应上客体材料加工对应的脑功能 区主要位于左侧或双侧额叶而空间材料的加工对应功能区主要位于右侧额叶 3中央执行系统 中央执行系统的功能主要是执行控制功能工作记忆的中央执行系统执行控制 过程比较复杂一般可以分为以下几个方面首先是编码coding比较简单的解 释就是按呈现的时间和位置对工作记忆中的不同表征语音空间等进行编码 其次是注意与抑制attention and inhibition即抑制无关的信息及过程将注意力 集中在相关信息及处理过程上然后是任务管理task management一般认为任 务管理就是对复杂任务中的具体过程进行细分并排序, 而且还负责在不同任务间注 意力的转移任务管理包括计划和监视等成分其中计划planning就是将总的 任务细分并制定一系列具体任务以完成最终目标监视monitoring就是更新和 检查工作记忆的内容, 并确定下一步的任务 执行控制功能的表现之一为注意力控制一些研究者认为注意力控制实际上就 是抑制功能14它的物质基础是脑内分布广泛的一个网络结构他们共同执行这一 抑制功能这种抑制功能的表现为非任务相关的激活不能轻易进入工作记忆该网 络在其内部组织管理激活并进行复杂的目标导向行为去掉非相关信息和潜在的 干涉信息使用双重任务法15研究时发现背外侧前额叶激活强烈而此区域在执行 单任务时却都没有激活据此认为背外侧前额叶有协调和分配注意力资源的功能 研究注意力控制的一个经典实验就是 stroop 任务利用该任务研究注意力控制网络 的脑区结构16发现这个网络结构包括前扣带回顶上小叶额中回额下回和外 纹状皮质综合这些研究发现中央执行系统主要与背外侧前额叶有关而脑功能区 也存在偏侧效应语言材料的主要激活位于左侧, 空间材料的主要激活位于右侧 4情境缓冲区 情境缓冲区4在片断式长期记忆的提取和反馈中发挥了重要作用因为情境缓 冲区储存的信息是片断式的其中的信息可以在空间及时间上进行整合额叶被认 为是情境缓冲区的重要对应脑区在一个比较语义和空间任务的实验中17发现右 侧前额叶在两种不同性质任务的单独的整合和分解中都有激活这种片段式的记忆 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 和提取方式被认为和情境缓冲区有关 1.3 近红外脑功能检测方法 1.3.1 脑功能检测方法概述 单纯的行为实验不能直接看到大脑活动的过程只能局限于黑箱方法动 物的脑损毁实验的结果对人类脑功能的研究的指导意义也是有限的对脑损伤病人 的研究也受限于研究对象的数量和研究对象之间的差异而且大脑在受损后的补偿 功能也是这种研究的结果在向正常人推演中受到质疑在这种条件下脑功能检 测方法就显示出了巨大的优势也在近几十年得到了快速的发展其中正电子发射 断层扫描功能磁共振成像和事件相关电位技术的影响最大应用最为广泛 正电子发射断层扫描positron emission tomography, pet其成像原理是先 注射一定剂量的放射性同位素这些放射性同位素在体内衰减的同时放射正电子 正电子很快与组织中电子相撞湮灭并释放两个相反方向的粒子用粒子探测 设备对这些粒子进行探测再通过数据处理技术得到标记物在组织中的分布和含 量这种方法可以观察各种物质如酶等在体内的分布和代谢情况如果使用葡萄 糖作为标记物就可以通过测量人体特别是脑内神经元活动兴奋的部位配合心 理学实验使用的话就可以得到某种特定大脑活动对应的脑图像 功能磁共振成像functional magnetic resonance imaging, fmri功能磁共振成 像是在磁共振成像基础上发展起来的技术它的成像原理简单的说就是利用脱氧 血红蛋白和氧合血红蛋白不同的顺磁性成像所以功能磁共振成像得到的是大脑 中血氧变化的图像它的时间和空间分辨率都比 pet 要高但两种成像方法都不能 实时显示图像, 认知活动和图像之间都有一定时间间隔, 而且不能完全排除头部运 动呼吸及心跳等生理因素的影响 事件相关电位技术event-related potential, erp事件相关电位技术的实质是 一种诱发脑电技术相对脑电图eeg所研究的自发脑电活动这种诱发脑电活 动可以与特定的刺激或事件联系起来从而满足了认知心理学研究的需要事件相 关电位技术时间分辨率比正电子发射断层扫描及功能磁共振成像都要高可以做到 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 实时显示但空间分辨率较低虽然随着电极数目的增加其空间分辨率有所提高 但仍不及功能磁共振成像等技术 1.3.2 近红外脑功能检测方法的基本原理及其优势 近红外脑功能检测方法是近年来发展起来的一种无损脑功能检测技术它采用 光学检测的方法利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外区域的光吸收系数的 明显差异及较小的水的吸收影响所以近红外脑功能检测方法可以得到氧合血红 蛋白脱氧血红蛋白浓度的变化进而得到血容的变化 相关研究表明大脑某个区域的活动增强会引起氧合血红蛋白浓度的上升近 红外脑功能检测方法就是通过检测氧合血红蛋白的浓度变化来检测大脑特定区域的 活动强弱 如上节所述很多研究者借助脑功能检测方法对工作记忆进行研究积累了大 量实验事实大脑皮层的许多区域在工作记忆的过程中发挥着很重要的作用而其 中前额叶皮层的作用最为突出在工作记忆的各个成分中都发挥了重要的作用而 另外的一些研究18,19也发现在多种工作记忆的各个阶段前额叶皮层都发生了较 强的激活显然对前额叶在工作记忆中作用的研究就成为了工作记忆研究过程中 的重点上述各种方法都可以对前额叶进行研究但近红外脑功能检测方法与其它 方法相比有独特的优势 首先近红外脑功能检测系统对被试的影响较小可以让被试在一个更加自然 的条件下进行认知心理学测试得到的结果更接近于人在自然条件下的响应这是 要求被试头部固定的功能磁共振成像方法等做不到的其次近红外脑功能检测技 术对人体完全无损并且时间分辨率较高这意味着近红外脑功能检测系统不仅可 以用于组块设计的实验还可以用于事件相关设计的实验最后近红外脑功能检 测系统本身体积较小并且造价低廉对周围环境的要求也较低操作简便有利 于在认知心理学研究者中进行普及 1.4 近红外脑功能检测仪简介 本文研究使用本实验室自行开发的一套便携式近红外脑功能检测仪20现将该 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 系统简要介绍如下 近红外脑功能检测仪包括硬件部分及软件部分硬件部分主要包括探头电路 模块和数据采集卡如图 1.1 所示 图 1.2 系统硬件结构框图20 fig. 1.2 hardware block diagram of instrument 其中探头可以基本覆盖人的头部的前额部分其各探测器在前额叶皮层的探测 位置如图 1.3 所示考虑到不同人额部的形状差异探头采用有一定弹性的材料制 作可以更好的贴合头部 图 1.3 近红外脑功能检测仪各探测器在前额叶的位置20 fig. 1.3 the geography of detecting areas of nirs system on the prefrontal cortex 近红外脑功能检测软件主要可分为两个部分一个是电路部分另一个是数据 部分电路部分包括电路控制模块和电路检测模块该部分主要负责在开机时检测 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 电源工作状态采集卡连接情况和光源的工作情况以及在运行时驱动光源按照一定 的时序点亮数据部分包括数据采集存储模块和数据显示模块该部分能将采集到 的数据实时显示并存储为 excel表格格式方便后续的数据处理工作 1.5 课题意义及研究内容 工作记忆关系到人的认知语言和学习等各方面能力关系到人的发展对于 工作记忆的研究不仅可以使人类进一步了解我们的大脑而且对于临床和日常学习 生活都有重要的指导意义 工作记忆的主要功能脑区定位在大脑前额叶在能够研究前额叶工作记忆功能 的脑功能检测方法中近红外脑功能检测方法具有对人体完全无损时间分辨率高 实验条件接近自然认知条件等优点目前国内使用近红外脑功能检测方法的工作记 忆研究还处于初步阶段本实验室自行开发的近红外脑功能检测仪在这方面有广泛 的应用前景开发针对本系统的心理学实验范式软件模块对于系统朝应用方向推广 具有重要的意义本文首先选取工作记忆中几个重要方面的相关实验开发适用于 本系统的心理学实验范式软件并用实验结果来证明设计的实验范式和开发的相应软 件的正确性和可用性并对工作记忆几个基本功能的脑认知机制进行了初步探讨 本文各章主要内容安排如下 第一章 绪论介绍记忆和工作记忆的基本概念工作记忆的模型理论以及理 论研究的进展综述了脑功能检测方法在工作记忆研究中的进展提出了近红外脑 功能检测方法在工作记忆研究中的应用问题并简要介绍了本实验室自行开发的近 红外脑功能检测仪 第二章 实验设计与软件实现介绍实验选取实验设计以及实验范式软件实 现的方法和过程 第三章 实验结果分析与讨论首先介绍应用近红外脑功能检测仪心理学实验 的一般方法详细介绍了各实验的结果并对结果进行讨论 第四章 总结与展望对本文工作进行总结展望下一步工作的开展方向 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 实验设计与软件实现 2.1 实验选取和实验范式设计 2.1.1 实验选取 工作记忆最基本功能可以划分为信息的存储和加工两类而信息的编码方式包 括语音编码语义编码视觉编码等对于同一个刺激可能有几种不同的编码方 式本文从工作记忆的存储和加工这两个功能中各选出两个有代表性的实验进行研 究试图找到健康人在执行某一项工作记忆作业时信息编码加工方式的规律 1项目再认 工作记忆的存储功能是工作记忆研究的另一个重要方向对信息存储功能的研 究将语音回路和视空间初步加工系统这两个子系统中的存储功能进一步分成被动存 储与主动复述两个过程科学家们还十分关心这样一个问题不同工作记忆成分的 存储究竟是否相互独立呢一些基于行为实验的双分离研究和动物的脑损毁实验结 果似乎支持了独立的观点那么下一个问题就是如果工作记忆的不同成分的存储 在功能上是分离的那么它们是否受到大脑不同结构支配呢科学家们希望借助脑 功能检测方法得到答案 研究工作记忆信息存储常用的试验范式是项目再认作业item recognition task 又称为 sternberg 作业the sternberg task项目再认作业顾名思义就是记忆项目 的再认作业项目再认作业的典型范式是先给被试呈现一系列记忆项目, 移开一 段时间一般是几秒钟后出现探测刺激, 要求被试指出该探测刺激是否与前面 呈现出的某个记忆项目相配匹配这种项目再认实验可以依据试验材料的不同分别 予以不同的命名如字母项目再认空间项目再认客体项目再认面孔项目再认 等等 smith等8在利用正电子发射断层扫描方法对字母和空间项目再认实验进行了一 系列研究其中在对两种任务的比较过程中发现字母项目再认任务的保持更多的激 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 活大脑的左侧半球而空间项目再认任务的保持则更多的激活大脑的右侧半球在 对比知觉控制任务和记忆延迟反应任务的时候发现比起控制任务记忆任务更多 的激活双侧的前额叶皮层 在另一个客体项目再认与空间项目再认的研究中21smith 等发现在客体记忆减去客体控制任务后在左下额前回左顶小叶颞左下回 扣带前回等部位有统计学上具有显著性意义的激活其中前额叶的激活集中于大脑 左半球 ba6 区空间记忆减去空间任务后则发现可靠的激活部位位于大脑右半 球的前额叶皮层位置在 ba47 区附近还有顶叶皮层ba40和枕叶皮层ba19 以及运动前区ba6这些位置都位于大脑右半球 2数字工作记忆广度 数字的存储是工作记忆存储功能的一个重要方面工作记忆的广度多少是衡量 人的工作记忆能力的一个重要标准其中数字工作记忆广度又被认为与人的数学能 力息息相关 hitch 等使用双任务研究数学学习困难儿童时发现22在增加记忆负担的条件 下解决数学问题时数学学习困难儿童的成绩明显低于正常儿童这表明数学学习 困难的原因有可能是数字工作记忆广度不足研究数字工作记忆广度作业时大脑的 响应有助于理解数字工作记忆广度的本质因为研究者们已经掌握了大量的工作 记忆各成分的响应脑区的分离结果如果数字工作记忆广度的作业激活脑区与某些 工作记忆成分相同的话那么数字工作记忆广度就有可能和这些工作记忆成分是相 关的 数字工作记忆广度的衡量方法有很多其中之一是双任务方法就是在记忆任 务之外增加一个任务例如计算任务23但这种任务不适用于脑功能检测方法因 为计算任务在大脑中同样有响应而这些响应不利于分离数字工作记忆的对应脑 区另外一种就是正序复述和反序复述数字串的作业wais-iii 智力量表采用这种 作业的结果作为数字工作记忆广度的度量方法正序复述就是按照与所给数字相同 顺序复述数字串从最低 3 位至最高 11 位反序复述就是按照与所给数字相反的 顺序复述数字串从最低 2 位至最高 9 位这种任务不但被用于智力的评价而且 还广泛的应用于临床评价虽然智力量表的编制者已发现了正序复述和反序复述的 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 不同这从复述的数字位数不同就可以看出但这两种记忆的机制的不同点仍然 有待研究 正序记忆和反序记忆数字串的作业非常适用于脑功能检测方法所研究hoshi 等24利用与 wais-iii 智力量表中的方法类似的正序记忆和反序记忆数字串任务进行 研究其方法是让被试做2 分钟正背任务休息 5 分钟后再做 2 分钟反背任务如此 循环下去数字位数从 3个开始如果被试的复述结果是正确的就将位数增加一位 直到被试在某个数字位数水平上发生错误综合正序复述和反序复述的广度以及脑 功能检测结果他们认为视空间存储方法在反序复述中相对语音存储方法更为有效 国内学者在使用 fmri 分别研究正序记忆和反序记忆的时候发现25,26被试执 行正序记忆任务的时候额叶的左右两侧皆有激活全脑也未发现明显的偏侧效应 被试执行反序记忆任务的时候显著激活的脑区中包括左侧额上回双侧额中回和左 侧额下回这两个研究的结果对比也提示两种任务的加工方式可能存在区别 3语义加工 在工作记忆的信息加工中语义加工是很重要的一个项目语义加工在语言使 用过程中具有非常重要的地位语义加工也是工作记忆的一个重要的功能目前研 究者们倾向于认为人类语义加工能力在功能及解剖上应该是模块化的即存在与语 义加工相关的功能性脑区从脑功能检测方法提供的一些定位信息来看语义加工 功能的主要脑区之一定位在前额叶一些研究认为27的语义工作记忆定位于前额叶 和顶叶语义信息的存储和提取系统常被认为是分开的语义提取相关脑区包括前 额叶颞叶前扣带回及小脑28-31在语义加工中激活的前额叶区域包括激活腹外 侧前额叶 ba 45 47腹内侧前额叶 ba11背外侧前额叶的中部 ba 9 ba46 这种激活有偏侧效应多以左侧为主其中腹外侧前额叶应该是与语义提取的一般 过程有关在词语分类任务多有腹内侧前额叶的激活提示该区域可能与语义相关 的分类有关 从行为学实验研究结果上看语义加工实际上是一个多种记忆成分参与的复杂 过程其中涉及长时记忆中语义信息的提取语言信息的临时存储语义工作记忆 的加工策略控制和无关信息加工的抑制等脑功能检测方法也有过程分离相关的 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 研究newrman 等32就在语义加工研究中发现语义信息的临时存储主要在左侧的 额下回和顶下回而脑内左侧背外侧前额叶区域的作用在于认知的控制处理 以上都是以拼音文字为材料研究语义加工的结果而我们中国人使用的汉语中 的汉字是世界上仅存的非拼音文字汉字与西方拼音文字不同多为方块字且大 部分既表意又表音还存在一些象形文字汉语的语义加工机制与脑区定位与其它 语言是否有所不同有没有属于汉语的特定加工机制或加工脑区就成为了一个令 研究者感兴趣的问题 研究汉语语义加工的实验方法可以有很多也涉及到与语义加工相关的各个方 面例如词语的分类除了语义加工之外还涉及了策略的选择其中又有给定策 略与自由策略的区别如所给四个词中哪一个与另外三个不是同类用给定的字 或词造句是另一个典型的语义加工实验大脑对字词进行加工时可以用几种不同 的编码方式对字词信息进行存储如语音编码与工作记忆的语音回路相关字形编 码则可能类似于客体信息的编码方式还有就是语义编码设计实验对比字词的这 几种编码方式可以说是非常有意义的 4心算加工 数字的算术加工是工作记忆的一项重要的加工功能它可能依赖于工作记忆中 的语音回路视空间初步加工系统和中央执行系统 研究表明33不同运算性质的运算神经响应机制是不同加减乘除等不 同的算术运算会激活不同的神经通路和响应脑区lee 等也发现34在大脑中保持 星号这一负担并不影响乘法运算但会影响减法运算因此对于不同性质的运算 要进行分别研究而一种运算的实验结果也不能想当然的推广到其他类型的运算 上 除了运算的性质外 运算的难度不同大脑的响应机制也不同 de rammelaere 等 人使用双任务范式研究35发现增加语音任务的负荷并不影响简单加法简单加法 是指加数都为各位数的加法的运算hitch 等发现语音任务显著干扰多位数加 法对于不同难度大脑响应机制不同这个问题的一个被广泛接受的观点是简单运 算与复杂运算的机制确实是不同的确切的说是复杂运算包含简单运算人们经 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 过长期的运算训练简单运算的结果如同九九乘法表一样存储于长时记忆中所以 简单运算的结果可能并不占用工作记忆的存储资源而是直接从长时记忆中被提取 出来复杂运算则不同它即包含了简单运算结果的提取过程又有中间结果的存 储过程而这种中间结果的存储是占用工作记忆的存储资源的在复杂运算中发现 的对工作记忆存储资源的占用很可能来自中间结果的存储但这个存储位置又有可 能不同一般分为语音存储和视觉表象存储两种 心算作为数字计算的一种重要形式是脑功能检测方法研究中最常用的数字计 算形式对于心算任务的对应加工脑区问题特别是是否有偏侧化现象如果有 究竟偏向左侧还是右侧这一问题国际上尚存在一些争议例如 burbaud36等在一 项 fmri 研究中发现在执行心算任务时右利手被试显著激活左侧前额叶等脑区 而左利手主要激活双侧前额叶等区域但 pesenti 37等发现右利手被试在执行心算任 务时前额叶的显著激活区域主要集中在右侧这种偏侧化脑区的不同结果也提示 心算加工不是一个单纯的加工过程其中可能存在复杂的加工机制和多种不同的加 工方法 2.1.2 范式设计 1项目再认 本文参考 smith 等8的研究结合近红外脑功能检测仪的特点设计了适合本 系统的字母和空间项目再认实验由于字母和空间工作记忆加工时都存在知觉编 码所以在设计实验时不但设计了项目再认记忆任务还设计了对应的知觉加工任 务便于在数据分析时由记忆任务减去知觉任务从而得到属于字母和空间存储的 对应脑区实验流程如图 2.1 所示 图2.1 项目再认实验流程图 fig. 2.1 procedure of the item recognition tasks 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 实验采用组块设计字母控制任务字母记忆任务空间控制任务空间记忆 任务各为一个组块每个组块任务前都有一分钟的休息时间对应的休息时为屏幕 中央显示 在休息的第 58 s 时有一个滴的纯音的提示用来提示被试 实验将要开始第四个组块结束后被试也有一分钟的休息时间此时不再有提示音 实验材料字母项目再认采用英文字母作为目标刺激和探测刺激为了使被试 采取语音编码字母而不是只记住字母的外型目标刺激全部为大写字母而探测刺 激全部为小写字母空间项目再认使用黑点作为目标刺激圆圈作为探测刺激为 消除任务响应的不同给结果带来的影响各个组块中匹配和不匹配圈住和未圈住 的情况各占一半 如图 2.2 所示字母控制任务是先延迟 3000 ms之后在周围出现四个 大写字母时间为 200 ms 作为目标刺激随后立即呈现四个大写字母和一个小写 字母 1500 ms要求被试判断该小写字母是否与同时呈现的四个大写字母中的任何 一个匹配匹配单击鼠标左键不匹配单击鼠标右键 字母记忆任务是首先在周围出现四个大写字母时间为 200 ms作为目 标刺激之后延迟 3000 ms随后呈现一个小写字母 1500 ms 作为探测刺激要求 被试判断该小写字母是否与原先呈现的四个大写字母中的任何一个匹配匹配单击 鼠标左键不匹配单击鼠标右键 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2.2 字母控制字母记忆空间控制和空间记忆任务示意图 fig. 2.2 verbal control, verbal memory, spatial control and spatial memory tasks 空间控制任务是先延迟 3000 ms之后在周围出现三个圆点时间为 200 ms作为目标刺激随后立即呈现三个圆点和一个圆圈时间 1500 ms要求被试 判断该圆圈是否与圈住了同时呈现的三个点中的任何一个圈住了单击鼠标左键 没圈住单击鼠标右键 空间记忆任务是首先在周围出现三个圆点时间为 200 ms作为目标刺 激之后延迟 3000 ms随后呈现一个圆圈 1500 ms 作为探测刺激要求被试判断 该圆圈是否与圈住了原先呈现的三个点中的任何一个圈住了单击鼠标左键没圈 住单击鼠标右键 所有的实验都要求被试尽快做出判断并点击鼠标总实验时间为 13 分 16 秒 所有字母均为 times new roman字体字号为 108屏幕上底色为黑色所有字母 圆点和符号皆为白色呈现在 21 寸纯平显示器上 2数字工作记忆广度 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 本文参考 wais-iii 智力量表中的方法采用正序记忆和反序记忆数字串的作业 作为正序和反序数字工作记忆广度的度量方法结合近红外脑功能检测仪的特点 设计了适合本系统的数字工作记忆广度实验实验的具体流程如图 2.3 所示 图2.3 数字工作记忆广度流程图 fig. 2.3 procedure of the digit span task 实验采用组块设计按照不同的数字工作记忆复述方式分为正序记忆和反序记 忆两个组块两个组块分别进行实验以正序记忆为例组块任务前有一分钟的休 息时间对应的休息时为屏幕中央显示 在休息的第 58s 时有一个滴 的纯音的提示用来提示被试实验将要开始组块结束后被试也有一分钟的休息时 间此时不再有提示音反序记忆的基本流程与正序记忆相同其区别仅在于要求 被试做出不同类型的反应 实验材料正序记忆和反序记忆都要求记忆八位数字每组连续呈现八个一位 数这些数字都不能有规律应该为随机数因而这些数字要求不能出现连续两个 相同的数字如依次呈现2 2 也不能连续出现三个正序或反序连续的 数字如依次呈现3 4 5 或9 8 7 这些要求都 是为了保证每组数字的记忆负担是相同的 图 2.4 数字工作记忆广度任务示意图 fig. 2.4 the digit span task 在每个组块中都由 15 个同一类型的任务图 2.4组成正序记忆和反序记忆 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 都要求记忆八位数字以正序记忆组块任务为例首先呈现一个一位数时间为 100 ms之后延迟 400 ms 呈现下一个一位数延迟期间呈现空屏这样一共顺序呈现 八个一位数数字呈现完之后再延迟 1000 ms延迟期间呈现空屏随后出现正 背的提示此时要求被试按照提示开始按照数字出现的相同顺序口头复述该组数 字 口头复述全部完成后单击鼠标左键 期间提示呈现 1000 ms 空屏呈现 15000 ms 都是留给被试进行复述的时间之后出现 此时要求被试无论是否完成复 述都要停止复述等待下一组数字的出现反背的实验过程与正背基本相同不同 的地方在于呈现提示的时候提示为反背 要求被试按照与数字出现相反的顺 序口头复述该组数字 两个实验都要求被试尽快复述并点击鼠标两个实验的时间均为 7 分 30 秒 所有汉字为宋体数字为 times new roman字体字号为 108 号屏幕上底色为黑 色所有数字汉字符号皆为白色呈现在 21 寸纯平显示器上 3汉语词语语义加工 本文参考汉语词语语义加工的相关实验38设计了适合于近红外脑功能检测仪 的汉语词语语义加工实验由上文所述语义加工的过程有很多记忆成分的参与 其中影响最大的就是知觉编码过程本实验采用减法设计设计了知觉加工任务和 语义加工任务而知觉加工任务减去语义加工任务之后的结果就是去除了知觉编码 成分之后的语义编码过程在前额叶响应的结果实验流程如图 2.5 所示 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.5 汉语词语语义加工实验流程图 fig. 2.5 procedure of the chinese words encoding experiment 实验材料由 200 个汉字组成的 100 个非相关双字词再组成 50 个词对分 成两组其中浅加工 25 对深加工 25 对另有 10 对非相关词对作为练习 实验采取组块设计block design分为非相关词对的浅加工和深加工两个组 块浅加工是判断两个词语中相同位置即第一位或第二位的字的结构是否相同 字的结构分为上下结构和左右结构两种只有对应位置上的字结构都相同才判断 为相同否则为不同要求被试在看到词对后以最快的速度做出口头回答深加工 是用所给词对中的两个词造一个有意义的句子同样要求被试在看到词对后以最快 的速度做出口头回答为减少统计学上的误差浅加工和深加工中的词语都选取常 见词且词频没有明显的差异对应的休息时为屏幕中央显示 实验的具体过程是先有一个 60 s 的休息其中在第 58 s 时有一个滴的纯 音的提示用来提示被试实验将要开始之后是浅加工阶段浅加工结束后再经过 一个与之前相同的休息过程之后进入深加工最后还有一个 60 s的休息阶段与 前面不同的是在此休息阶段中没有滴音发出由图 2.1 可以看出实际上浅 加工和深加工在词对的呈现方面并没有区别区别只在于它们不同的加工方式浅 加工是知觉加工深加工是语义加工在词对刺激呈现时原来位于中央的 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 号消失在其上下分别呈现一个词语 5 s 后词语消失中央的号重新呈现 被试应停止加工等待下一个任务总实验时间为 8 min所有文字的字体为宋体 大小为 108 号显示在 21 寸纯平显示器上 4心算加工 本文参考刘昌等39的研究结合近红外脑功能检测仪的特点设计了适合本系 统的心算实验鉴于心算研究的分支较多其机制又比较复杂这里选用1000 n系列连续减法作为心算任务设计了五种不同难度的任务心算任务的流程设 计如图 2.6 所示 图 2.6 心算流程图 fig. 2.6 procedure of the mental arithmetic task 实验采用组块设计按照难度不同分别设计了1000-1 1000-31000- 7 1000-13 1000-17 五个组块其中被减数均为 1000便于组块之间 的比较而减数除最简单的 1 外均选用大小不等的质数这是考虑到使连续心算的 各个结果不具有某一相同特征而采取的设计方案每个组块任务前都有一分钟的休 息时间对应的休息时为屏幕中央显示 在休息的第 58s 时有一个滴 的纯音的提示用来提示被试实验将要开始最后一个组块结束后被试也有一分钟 的休息时间此时不再有提示音 在系列减法心算任务的每个组块中首先呈现 1000-n例如1000-1任务则 呈现1000-1 之后呈现空屏待被试在计算机小键盘上输入结果后 例如输 入9 9 9 呈现下一个任务-n 例如1000-1 任务则呈现-1 此时要求被试以前一次的运算结果如 999作为被减数进行减法运算将结果用 小键盘输入每一个组块中将减数连续减七次记录每次所得的结果和反应时间 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.7 心算任务示意图 fig. 2.7 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