神经生理学研究：工作记忆任务中方位辨别的神经生理学研究

研究背景

识别和记忆环境的空间方位 (orientation) 是视觉空间行为的重要组成部分。准确存储和回忆这些信息有助于我们在空间中定位，并对快速变化做出适应性反应。然而，尽管方位记忆在文献中有着广泛的研究，这些研究主要集中在早期视觉区通过功能性磁共振成像 (fMRI) 来维持对刺激的精确描述。同时，也有关于额叶新皮质中个别亚区参与其中的零星信息。但在当前环境变化和记忆中的方位信息进行比较的阶段，尚缺乏系统的研究。认识这种操作的机制不仅对于理解视觉系统识别视觉环境基本特征的快速变化至关重要，还能揭示维持这些信息稳定性的大脑参考系统。

研究来源

该研究论文题为《Neurophysiological Study of Orientation Discrimination in a Working Memory Task》，由E.S. Mikhaylova及N.Yu. Gerasimenko撰写，均来自于俄罗斯科学院高级神经活动及神经生理学研究所 (Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences)。此论文发表于2023年的《Human Physiology》杂志上 (vol. 49, suppl. 1, pp. S1–S12)。

研究方法

研究对象

实验涉及33名受试者（16名男性，17名女性），平均年龄为22.57 ± 0.46岁。他们均具有正常视力，所有受试者均签署了知情同意书，并遵循本研究所伦理委员会的批准。

刺激

实验使用了黑白高对比度的正弦波栅格刺激，线条的倾斜角度分别为0°（水平），90°（垂直）以及45°。每个刺激的尺寸为5.5度。为了模拟比较新信息和短期记忆中存储信息的情景，以随机顺序向受试者呈现了不同方位的栅格对。配对的栅格有三种方位完全相同（0°–0°，90°–90°和45°–45°）和六种方位不相同（0°–90°，0°–45°，90°–0°，90°–45°以及45°–0°，45°–90°）。

实验程序

在实验过程中，受试者坐在黑暗且隔音的房间中的舒适椅子上，距离显示器120厘米。使用E-Prime 2.0软件在屏幕上呈现刺激。每个序列由以下事件组成：100 ms的绿色点信号，黑色固定点（持续时间随机在1500–1700 ms之间），100 ms的参考刺激，随后1500–1800 ms的间隔（带固定点），100 ms的测试刺激和3000 ms的间隔（固定点）。每个配对的参考和测试刺激分别呈现30次，实验一共包括270对刺激，进行时长约30分钟。实验中段进行5–7分钟的休息。

受试者根据指示判断参考和测试刺激的方位是否相同，并按下相应的按键，记录回答的正确性和按键响应的延迟。

EP（诱发电位）的注册和分析

使用Geodesics公司的128通道脑电图设备记录脑电图（EEG），使用HydroCel Geodesic Sensor Net头盔。脑电图数据由Netstation软件4.5.4版本处理，信号通过滤波（0.5–45 Hz）后，分割成1300 ms的片段，分别包含在测试刺激期间的300 ms基线。删除含有眼运动和电肌活动伪影的片段，平均计算每个受试者的诱发电位（EP）。

分析主要集中在脑电图上的caudal皮层区域的P100和N150成份 - 这些成份早期出现且与感官信号处理相关。

分析

各诱发电位的成份在不同脑区（枕叶、顶叶、颞叶）的变化以及前额叶区域的N240成份变化进行多因素ANOVA分析。使用重复测量ANOVA (RM ANOVA)对匹配（即参考和测试刺激匹配）和非匹配情况下诱发电位成份的幅度进行统计分析，采用Greenhouse–Geisser修正，多重比较使用Newman-Keuls校正。

研究结果

心理评测指标

反应时间 (RT) 和正确率表明，当测试和参考方位不匹配时，反应时间显著延长，准确率稍有提高，这与其他文献结果相符。具体而言，不匹配情况下的RT比匹配情况下更大，尤其是在测试方位为垂直时差异显著 (p < 0.001)。

P100 和 N150 成份分析

在感官信号处理中，枕叶区的EP成份P100显著增加无论在匹配还是不匹配情况下。此外，在顶叶和颞叶区，P100均也有显著增加，这表明更高层次的视觉处理层级也参与了比较操作。

N240 在额叶皮层中的表现

与匹配状况相比，额叶皮层中N240成份的负电幅度在不匹配情况下显著增加 (p < 0.0005)，表明额叶皮层对当前信号和记忆信号的差异有高度敏感。

分布源的建模

通过高密度记录诱发活性并用偶极子建模法表明，匹配和不匹配情况下，在额叶、枕叶、顶叶和颞叶多个脑区的偶极子电流密度有显著差异。这表明这些区域不仅在早期感官分析阶段有作用，而且在后期的认知处理阶段也有关键作用。

讨论与结论

该研究通过记录EEG表明，大脑在处理并比较当前信号与记忆信号时，早期的感官检测主要发生在枕叶区域，同时顶叶和颞叶区域也会参与。而最终不匹配的信息在前额叶皮层显现，更晚期的认知处理阶段显示显著差异。研究结果展示了不同脑区间的相互作用和信息传递机制，强调了额-枕叶区域协作的重要性。这些发现不仅为短期记忆机制的理论提供了实证支持，还提示了未来在探索前额叶和视觉区域间功能交互的重要研究方向。

这样的研究进一步深化了我们对视觉工作记忆和其神经机制的理解，有助于在未来改进认知训练方法及开发新型大脑-计算机接口技术。