不同记忆负荷水平下执行控制的ＥＲＰ效应

1、不同记忆负荷水平下执行控制的效应    【摘 要】 目的：通过被试在倒数n项测验（n-back task）任务中的行为与事件相关电位(event-related potentials，ERP)表现，分离执行控制不同加工环节的神经电生理指标，探讨在逐步增加的记忆负荷水平下各ERP成分的时间进程及脑区分布变化规律。方法：正常成人20名参加n-back（n=0、1、2）工作记忆任务的ERP实验，同时记录行为数据及EEG脑电信号。离线处理数据后，比较被试在低、中、高工作记忆负荷下的行为表现及ERP成分的差异。结果：0、1两种记忆负荷水平下被试的反应时与正确率无显

2、著差异，2-back任务时的正确率低于0-back与1-back（87.7±9.9/98.7±2.2、96.3±3.5，P<0.05），反应时长于0-back与1-back（1077.0±247.2)/(729.5±83.7)/(837.3±144.7)ms P<0.05）。三种记忆负荷水平的任务均诱发出了明显的P3成分。P3波幅随记忆负荷的逐步增加呈现等级下降规律，潜伏期则未随记忆负荷变化而改变。高记忆负荷与低记忆负荷的任务相减均得到一差异波N450成分，主要分布于额区及顶区。1-0及2-0差异波的N450平均波幅差异在

3、顶区显著。结论：执行控制的注意分配、刷新、编码等成分在刺激后300ms开始，约700ms处结束。P3成分的等级下降规律反映被试有效地进行了注意的分配及转移。高负荷与低负荷差异波N450成分在额区及顶区同步出现，分别反映了执行功能中的更新与编码环节，以及短时贮存过程。 【关键词】 执行控制；事件相关电位；n-back任务；记忆负荷 中图分类号：B842.3 文献标识码：A 文章编号：1000-6729(2008)008-0576-07 工作记忆是对信息进行暂时加工和贮存的能量有限的记忆系统，也是认知加工过程的一个最基本的环节。概括来说，工作记忆的作用包括对信息的执行控制及对激活信息的存储。其中执

4、行控制过程比较复杂，包括注意与抑制、任务管理、计划、监督管理及编码五个方面1。但这些信息加工环节分别由哪些脑区参与，其时间序列及动态加工过程如何？是近年来认知神经科学研究的热点问题之一。 要对执行控制的脑机制进行深入的研究，研究方法十分重要。倒数n项测验(n-back task) 2采用参量设计，使比较被试在逐步改变的记忆负荷水平下的行为及脑功能差异成为可能。从信息加工的角度来分析，这一范式包括两个加工过程：一是匹配过程，需要的工作记忆资源很少，主要是一些一般性的记忆操作过程，包括编码当前刺激，与工作记忆中维持的信息相比较，并做出相应的反应；另一个是刷新及维持过程，也是工作记忆加工的主要过程，

5、主要包括执行控制功能中的注意分配与转移（任务管理）、刷新及选择目标信息（监控）、按时间序列编码（编码），也包括对信息的短时存贮。因而，n-back实验范式在研究执行控制的脑机制方面具有独特的优势3。 目前运用n-back范式研究执行控制过程的报导以空间分辨率高的fMRI、PET技术占绝对优势，而事件相关电位 (event-related potentials，ERP)在这一方面的研究较少。但ERP技术具有高时间分辨率的优势，可以观察工作记忆激活脑区的动态变化过程，并从时间进程上说明参与工作记忆各脑区之间的相互关系。本研究拟采用ERP技术，结合n-back实验范式，对不同工作记忆负荷下正常被试的

6、行为与认知模式的差异进行动态比较，进而分离执行控制不同成分的神经电生理指标，探讨其时间进程及脑区分布特点，为执行控制的脑神经机制研究提供新的证据和思路。 1 对象与方法 1.1 对象 2004年11月至2005年3月从自愿参加研究的43名社会成人志愿者中选出20例，其中男性14例，女性6例；年龄2952岁，平均年龄43±9岁，已婚18例，未婚2例。入选标准：右利手，视力或矫正视力正常，受教育程度在初中以上。排除有精神疾患既往史、物质滥用史、脑外伤史、神经系统疾病史及慢性躯体疾病史者。实验后获取一定报酬。 1.2 方法 刺激程序用presentation 0.53版编辑，刺激呈现时间为

7、 500ms，刺激间隔（ISI）为2500ms。每种负荷水平包含150+5n个刺激，其中匹配刺激与非匹配刺激比例为12，以伪随机顺序呈现。每种负荷水平的任务分5个刺激序列进行，每个序列含30+n个刺激。序列间被试可适当放松眼睛。正式实验前运用统一指导语及练习序列对被试进行训练直至操作熟练。实验按固定顺序进行，每位被试均从0-back任务开始，然后依次进行1-back任务及2-back任务，整个实验约30分钟。 1.4 统计方法 选取额区FZ /F3/F4，中央区CZ/C3/C4，顶区Pz/P3/P4等9个有代表性的电极点，对ERP主要成分的波幅与峰潜伏期进行重复测量的方差分析（以工作记忆负荷(

8、三水平：0、1、2)及记录点(9水平)为组内因素，采用Greenhouse-Geisser法校正，对于交互作用显著者再进行简单效应分析）。 2 结果 2.1被试在不同工作记忆负荷水平下的反应正确率和反应时比较 表1显示，20名被试在0、1、2三种负荷水平下的反应正确率及反应时均存在显著的负荷主效应：F=17.783、21.323，均P0.001。post-hoc分析表明：被试2-back的正确率低于0-back与1-back，2-back的反应时长于0-back与1-back（P<0.05）。  2.2工作记忆负荷相关成分-P3的峰值与峰潜伏期 图1所示为被试在n-back实验

9、中的ERP总平均图，三种记忆负荷水平的任务均诱发出了明显的P3成分，且这一成分随记忆负荷水平的变化明显。P3成分出现于300 ms-700ms，最大波幅位于Pz，因其波峰明显，故测量峰值及峰潜伏期，分析其变化规律，以观察记忆负荷效应。 对P3峰值进行重复测量的方差分析，结果表明记忆负荷主效应显著，F（2, 38）=10.854，P0.001，随着记忆负荷逐步增加，P3波幅逐渐下降；电极主效应显著，F（4, 68）=9.145，P0.001，0、1、2三种负荷水平下均为Pz点的P3波幅最大，分别为（11.95±5.44）V、（10.71±4.61）V、（7.91±5

10、.88）V；负荷×电极交互效应显著：F（6，106）=2.966, P0.05。简单效应表明，0-back的P3波幅显著高于1-back及2-back，F（1, 19）=6.390，P0.05，F（1, 19）=14.875，P0.01，而1-back的P3波幅又显著高于2-back，F（1, 19）=7.598，P0.05。 对P3峰潜伏期进行重复测量方差分析，电极主效应显著，F（4, 80）=4.315，P0.01，0-back任务中Pz的峰潜伏期最长（432.7±51.62）ms；而在1、2两种负荷水平下，均为P3的峰潜伏期最长，分别为（418.9±48.1

11、7）ms和（434.3±63.75）ms，未发现显著的记忆负荷主效应及负荷×电极的交互效应。 2.3 差异波N450成分及其脑电地形图 用较高记忆负荷的ERP波形减去较低记忆负荷的ERP波形，得到1-0、2-0、2-1三类差异波（见图2），三类差异波均包含分布于300ms-700ms时段一明显的差异负成分N450。对1-0及2-0差异波N450成分的300ms-700ms平均波幅进行负荷（2水平）×电极（9水平）的重复测量方差分析，结果显示记忆负荷效应显著，F（1, 19）=4.992，P0.05，2-0差异波的N450平均波幅显著大于1-0差异波；无电极主效应，

12、F（5, 88）=1.218，P0.05；电极×负荷交互效应显著，F（3, 64）=3.318，P0.05。简单效应分析表明：1-0及2-0差异波的N450平均波幅差异主要在顶区（P3/Pz/P4）显著，F（1, 19）=9.556，P0.01。P3、Pz、P4电极点的N450平均波幅差异分别为：2.5857V，2.6484V，2.2269V。 1-0、2-0、2-1 三类差异波的N450成分的地形图见图3。图3显示1-0差异波的N450成份主要分布于左侧前额区及中央顶区，2-0差异波的N450成份分布脑区范围明显增大，左侧额区及双侧顶区均有明显激活。2-1差异波反映的是记忆负荷由1

13、增加到2时工作记忆认知成分的改变，这一改变在双侧顶区最为显著。 3 讨论 工作记忆作为短期记忆的一种，容量限制是其生理特点。本研究中被试的反应正确率随记忆负荷的增大而逐渐下降，反应时则随之逐渐延长，反映工作记忆系统在任务难度逐步增加的情况下其整体功能输出效率逐渐下降，这与以往神经心理测验的结果及功能成像研究中被试的行为表现一致4-5。 从信息加工的角度来分析，n-back任务中不同负荷水平的任务所涉及的认知加工过程有所不同。0-back任务仅需完成匹配过程，这一部分需要的工作记忆资源很少。1-back任务除需完成与0-back任务同样的认知加工过程外，还需不断刷新工作记忆中的单个刺激内容，并进

14、行项目的短时贮存，为下一步的匹配任务做准备。而2-back对执行控制的要求比1-back任务更高。因此，对不同负荷水平下信息加工各环节所涉及的脑区ERP变化规律的分析，是探讨执行控制的脑机制的可能途径。 本研究结果表明，P3成分是随记忆负荷改变而变化的主要成分，随着记忆负荷的逐步增加，P3波幅逐渐下降，呈现等级变化规律，而其潜伏期并不随记忆负荷变化而改变。以往研究结果表明，P3成分在任务难度越大，刺激复杂程度越高或重要性越强时，波幅就越大6-7；而在双加工任务当中，新增一种任务，或其中某一任务的难度有所增加时，由原任务引起的P3波幅就会下降，这是加工能量从初始任务向二级任务的转移与再分配的反映

15、，与资源分配理论也是相符合的：P3作为反映能量在不同任务间进行分配的加工资源组合的一项指标，加工能量分配得越多，P3波幅就越高，且变化幅度成比例增加8-9。因此，本研究中的等级变化规律提示，随着记忆负荷的增大，注意及加工能量从产生P3的过程（即新刺激的呈现与匹配评估及反应决策）向逐步增加的工作记忆要求的转移和分配（任务间的转移）。认知负荷越高，要维持及处理工作记忆所需的注意及加工能量就越多，因而P3波幅呈现逐级下降，以往运用n-back范式进行的ERP研究结果也表明， ERP成分中P3成分对工作记忆负荷十分敏感，且不受刺激材料的影响 10-12。至于不同任务负荷水平下P3潜伏期无显著差异，可能

16、是由于P3的潜伏期与任务的知觉复杂性及将新刺激进行匹配/不匹配的分类决策有关，而在n-back任务中，无论是哪一种记忆负荷水平，刺激均为数字，其知觉复杂性及匹配、分类过程都大致相同的原因6。 刷新环节是执行控制加工的重要环节，以往有研究认为P3成分与记忆刷新功能也有关13-14。根据n-back任务的特点，1-back或2-back任务均包含刷新成分，而0-back任务需要匹配的刺激是预先设定的，因而新呈现的刺激只为当前的匹配服务，一旦完成这次匹配（一般是作出反应后）信息就被清除，无需进行刷新或贮存过程。据此，本研究结果中P3的波幅变化虽与记忆负荷的变化有关，但应反映的是执行控制中的注意分配与

17、任务管理环节，而与负荷相关的注意的分配及加工能量的转移正是为随后的刷新、编码及贮存、复述成分所需。Kusak 等运用动态记忆任务实验范式进行的工作记忆刷新成分研究也支持了这一结论，并提出P3的波幅变化虽与记忆负荷的变化有关，但并未真正分离出刷新过程，实验与控制条件的差异波更可能是脑区参与记忆刷新过程的证据15。 本研究中较高记忆负荷与较低负荷的差异波均可见一明显的差异负成分N450。在1-0差异波中，这一成分主要分布于左侧前额区及左侧顶区，以前额区的激活较为显著；而2-0差异波中这一成分分布范围更广，左侧额区及双侧顶区均有明显激活；当记忆负荷由1增加到2时，仅顶区激活强度变化显著。结合前述n-

18、back任务的认知意义：1-back任务较0-back任务新增的认知加工过程为刷新及项目的贮存与复述，而2-back任务的刷新过程与1-back一致，但对项目贮存功能的要求更高。出现在刺激呈现阶段后期的N450成分可能是完成了匹配分类任务后，在工作记忆中对言语信息进行刷新及短时贮存的表现。  由于在记忆负荷水平增加时，顶区的差异波N450成分波幅随之增高，而额区并未出现这一任务负荷效应，我们推测N450有两个发生源，一个在前额叶，而另一个在顶叶，各执行不同的功能。前额叶的N450成分反映了工作记忆内容的更新，而顶区的N450则反映了工作记忆内容的短时贮存。以往已有大量功能成像研究表明

19、，额叶与刷新过程有关，如工作记忆的额叶分区整合理论认为，额叶腹侧与刷新有关，而背侧额叶则与操作和监控工作记忆内容的更新有关16；Kusak等将刷新与不刷新条件下的ERP波形相减，得到的差异波成分主要分布于额区15；王益文等对汉字n-back任务的研究也表明，刺激后250-600ms出现，主要来源于左侧额中回的N360成分的负荷效应反映的是执行控制的刷新过程17。此外，顶后区是参与工作记忆贮存过程的关键脑区，已被许多fMRI及PET研究证实18-19；而汉字材料的n-back研究也发现，主要分布于顶枕叶的2-0差异波负成分动态反映了工作记忆的存贮加工20。 综合以往研究及本研究结果，执行控制的注

20、意分配、刷新、编码等成分可能在刺激后300ms开始，约700ms处结束，400-600ms是刷新、编码及短时存贮的高峰期。额区及顶区不同信息加工环节的同步处理，是大脑前后区域共同参与信息加工的证据，也支持了关于“额-顶叶回路是工作记忆涉及的主要皮层连接”的结论，说明工作记忆系统在进行信息加工时是以多维动态的复杂模式来进行的，依赖多个脑区之间的相互作用。值得注意的是，目前的结论只是依据工作记忆的认知加工模型及ERP成分的时空分布提出的假设，由于ERP技术在空间分辨率方面的局限性，尚不能得到完全的证实，也不能完全排除还有其他脑区共同参与执行控制及贮存加工的可能性。如能运用主成分分析及偶极子源定位分

21、析技术，或结合空间分辨率更高的fMRI、PET同时进行研究并相互佐证，相信会得出更有意义的结论。 参考文献 1 Jonides J, Schumacher EH，Smith EE，et al. Verbal working memory load affects regional brain activation as measured by PET. J Cogn Neurosci,1997, 9(4): ?462-475. 2 Baddeley A. Working memory: looking back and looking forward. Nat Rev Neurosci, 20

22、03, 4(10): 829-839. 3 Jansma JM，Ramsey NF，Coppola R, et al . Specific versus non-specific brain activity in a parametric N-back task. Neurolmage，2000,12(6):688-697. 4 Callicott JH, Mattay VS, Bertolino A, Physiological cha-racteristics of capacity constraints in working memory as revealed by functio

23、nal MRI. Cereb Cortex, 1999, 9(1): 20-26. 5 沈模卫, 易宇骥, 张峰. n-back任务下视觉工作记忆负荷研究. 心理与行为研究, 2003， 1(3): 166-170. 6 Watter S, Geffen GM, Geffen LB. The n-back as a dual-task: P300 morphology under divided attention. Psychophysiology, 2001, 38(6): 998-1003. 7 Dolu N, BaYar-Eroglu C, Ozesmi C, et al. An as

24、sessment of working memory using P300 wave in healthy subjects. Int Congress Series, 2005, 1278: 7-10. 8 Kramer AF, Strayer DL, Buckley J. Task versus compo-nent consistency in the development of automatic process-ing: A psychophysiological assessment. Psychophy-siology, 1991，28(4): 1425-1437. 9 Str

25、ayer DL, Kramer AF. An analysis of memory-based theories of automaticity. J Exp Psychol Learn Mem Cogn. 1990, 16(2): 291-304. 10 Gevins A, Smith ME, Le J, et al. High resolution evoked potential imaging of the cortical dynamics of human working memory. Electroencephalogr Clin Neurophysiol, 1996, 98(

26、4): 327-348. 11 McEvoy LK, Smith ME, Gevins A. Dynamic cortical networks of verbal and spatial working memory-effects of memory load and task practice. Cerebral Cortex, 1998, 8(7): 563-574. 12 Kramer AF, Strayer DL, Buckley J. Task versus compo-nent consistency in the development of automatic process-ing: A psychophysiological assessment. Psychophy-siology, 1991，28(4): 1425-1437. 13 Donchin E, Coles MHG. Is the P300 component a manifestation of context updating? BehavBrain Sci,1988,