冲突适应过程中的神经信息传递机制

冲突适应过程中的神经信息传递机制 摘要：在认知控制研究领域中，冲突适应（conflict adaptation）涉及大脑对冲突进行连续的认知调整，它能反映人类有效控制冲突的基本机制。然而，现有研究还没有充分地揭示冲突适应的脑机制。本研究通过对被试完成字母Flanker任务时的脑电（electroencephalography，EEG）数据进行有效连通性分析，揭示了冲突适应过程中的神经信息传递机制。在观察任务中，当大脑传递冲突信号时，从左前额叶电极点到中前区电极点的连通性（频带：2021 Hz，400650 ms）增强，以使大脑顺利完成与反应抑制相关的加工；在反应任务中，从中前区电极点到右前额叶电极点，congruency-Congruency条件比incongruency-Congruency条件的连通性（频带：1821 Hz，6001，000 ms）更强。这些结果共同说明频带的活性调整过程反映了大脑有效的执行控制过程，从而在行为上表现出由冲突观察所诱发的冲突适应。 关键词：冲突观察；冲突适应；侧边干扰任务；脑电；有效连通性分类号B84511引言 在认知控制领域中，冲突适应是人类大脑对连续的冲突情境进行有效控制的基础。它反映了一个由冲突所诱发的连续的行为调整过程，此行为调整便导致了优化的行为（Botvinick，Braver，Barch，Carter，& Cohen，2001； Botvinick，Nystrom，Fissell，Carter，& Cohen，1999； Gratton，Coles，& Donchin，1992）。采用一致性任务，如：Flanker任务（Eriksen & Eriksen，1974）、Stroop任务（Stroop，1935）和Simon任务（Simon，1969），冲突适应这一现象的认知和神经机制已被广泛地研究。如在字母Flanker任务中，刺激是由中间的靶刺激和两侧的干扰刺激组成，个体需要根据中间的字母（靶刺激）作出反应，同时忽略两侧的字母（干扰刺激）。根据靶刺激和干扰刺激的相容性，可将该任务划分为一致条件（congruent，简称C条件）和不一致条件（incongruent，简称I条件）两种条件。在一致条件下，靶刺激和干扰刺激相同（如“KKKKK”）；在不一致条件下，靶刺激和干扰刺激不同（如“FFWFF”）。以反应时（RT）为行为指标，RT（I-C）即Flanker干扰效应（Eriksen & Eriksen，1974）。为研究冲突适应，在整个任务系列中，如果根据先前试次和当前试次的一致性（一致、不一致），将一致和不一致条件进一步划分为cC、cI、iC和iI试次（cC代表一致试次之后的一致试次，cI代表一致试次之后的不一致试次，iC代表不一致试次之后的一致试次，iI代表不一致试次之后的不一致试次），那么冲突适应则表现为冲突试次之后的干扰效应显著地小于一致试次之后的干扰效应，即RT（iI-iC） .05，2=.10。重要的是，观察条件与反应条件的一致性展示了显著的交互作用，F（1，14）=9.38，p.05。然而，从右前额叶电极点到中前区电极点，两因素重复测量ANOVA没有展示任何显著性结果，ps.05。另外，在其他ROIs之间的有效连接上，没有观察到与反应任务有关的显著效应， ps.05。图2B直观地展示了信息流传递的方向：神经信息有效地从右前额叶电极点传递到中前区电极点。图2反应任务中的有效连通性结果 注： A展示了反应任务中，cC，cI，iC，iI条件的有效连通性。X轴（时间，ms； 基线间隔为-400 ms到-100 ms； 0指示刺激呈现），Y轴（频率，Hz）。其中，上图和下图分别展示了从中前区电极点 （FCz+Cz）/2 到右前额叶电极点 （F2+F4）/2 和从右前额叶电极点到中前区电极点的信息流动。从图中可以明显地看出：在频带（1821 Hz，6001，000 ms）上，从中前区电极点到右前额叶电极点，在cC条件下比在iC条件下的连通性更强，cI和iI条件的连通性差异不显著；从右前额叶电极点到中前区电极点，cC和iC条件以及cI和iI条件的连通性差异都不显著，如图中白色矩形框所示。B直观地展示了信息流动的方向。 4讨论 本研究的有效连通性结果为冲突适应过程提供了不同脑区之间信息传递的直接证据。冲突监测可能主要发生在左前额叶，冲突适应则主要发生在右前额叶；从冲突监测到冲突适应，中前区起到了调控作用。这与以脑损伤病人和动物为被试的研究结果一致（di Pellegrino et al.，2007； Markela-Lerenc et al.，2004； Posner & DiGirolamo，1998； Roelofs，van Turennout，& Coles，2006），这些研究发现前额叶在冲突监测过程中起重要作用，中前部（ACC）主要负责对冲突进行控制和调整。本研究结果也与近来的一项事件相关电位（ERPs，event-related potentials）研究结果一致，Tang，Hu，Li等（2013）采用相似的实验设计发现，在右前额叶，持续电位（sustained potential，SP）的波幅调整反映了大脑对冲突的适应。 时频域的研究证实，频带的活性与当前的认知激发状态成反比（Engel & Fries，2010）：频带的激活与反应抑制有关，其失活与反应激活或反应准备有关（Pasttter， Hanslmayr， & Buml，2008，2010）。并且频带的失活反映了实际的或想象中的运动活动（Kilner，Bott，& Posada，2005； Pasttter et al.，2008； Tzagarakis，Ince，Leuthold，& Pellizzer，2010）。一些研究也发现频带与大脑对反应的加工有关（Alegre et al.，2003； Kaiser，Birbaumer，& Lutzenberger，2001； Kilner et al.，2005； Pasttter et al.，2008； Tzagarakis et al.，2010； Zhang，Chen，Bressler，& Ding，2008）。近来的一项研究在人类下丘脑神经元植入深度大脑刺激电极（deep brain stimulation electrodes，DBS），记录了被试完成色-词Stroop任务时的神经活动。结果发现，由人类下丘脑神经元所触发的振荡与反应抑制有关，并且在频带范围内的能量调整对于反应选择是至关重要的（Brittain et al.，2012）。在不一致条件下，活性短暂增长，这就推迟了行为反应，以至于大脑解决了冲突。 本研究的结果显示，在观察任务中，大脑左前额叶将监测到的冲突信息（频带：2021 Hz，400650 ms）传递到中前区，使之调整认知资源，以实施对冲突的控制。这一过程共持续250 ms，这一时间间隔正好与大脑从冲突的监测到实施对冲突的控制所需的最短时间相对应（Mller & Rabbitt，1989； Notebaert，Gevers，Verbruggen，& Liefooghe，2006）。另外，本研究也发现，在不一致的观察条件下，频带的活性更强，说明在不一致条件下，大脑执行更强的反应抑制加工以成功地对冲突进行控制，这一控制过程主要通过左前额叶到中前区自上而下的信息交流来实现（见图1）。 在反应任务中，从中前区电极点到右前额叶电极点，cC条件比iC条件的有效连通性（频带：1821 Hz，6001，000 ms）更强，但是cI条件与iI条件之间没有显著差异。这说明冲突适应也能体现在当前的一致试次上，这与冲突适应模型一致（Freitas，Bahar，Yang，& Banai，2007； Gratton et al.，1992； Lamers & Roelofs，2011； Ullsperger，Bylsma，& Botvinick，2005）。对于iC条件，由于被试在先前的观察任务中监测到冲突信息，那么大脑已经集中了更多的资源加工靶刺激而非侧边（Flanker）刺激，所以缩小了注意范围（Paquet，2001）。而在其后的反应任务中，在一致条件下，由于没有冲突出现，那么注意范围的缩小将不利于任务的完成。然而，对于cC条件，由于被试在先前的观察任务中没有监测到冲突信息，那么大脑将拓展注意范围，并且更多地加工侧边（Flanker）刺激；在其后的反应任务中，在一致条件下，由于没有冲突出现，那么注意范围的拓宽将更利于任务的完成。另外，对于iI和cI条件，尽管大脑在观察任务中的注意范围不同，但是大脑能根据反应任务所面临的冲突情景及时地调整认知资源加工靶刺激，从而顺利解决当前的冲突，所以cI条件与iI条件之间的有效连通性强度没有显著差异。然而，在Stroop任务中，Tang等（2013）发现了从中顶部电极点到右前额叶电极点显著的有效连通性，即iI条件比cI条件的信息流动更强，该信息流反映在频带（67 Hz，180330 ms）上。本研究没有观察到这一结果，这可能是由于任务类型不同造成的，因此还需要将来的研究进一步证实。 综上所述，本研究认为：在被试完成字母Flanker任务时，大脑左前额叶能监测到观察任务中的冲突信息，并且将冲突信息有效地传递到中前区；在反应任务中，一方面中前区能根据观察条件的一致性环境灵活地调整注意资源以有效地完成反应任务，另一方面它再向右前额叶传递控制信息，使之及时解决冲突（Floden et al.，2011； MacDonald，Cohen，Stenger，& Carter，2000），从而表现出由冲