在视觉Oddball任务中量化快速光信号和事件相关信号的潜在关系

1.研究背景

事件相关电位 (ERP) 曾用于确认快速光信号 (fast optical signal, FOS) 的存在，但验证方法主要限于探索 FOS 峰值与 ERP 峰值的时间对应关系。本研究的目的是在时域和频域中系统地量化 FOS 和 ERP 对视觉Oddball任务的反应之间的关系。

2.研究方法

2.1 被试

共15名有效被试被招募，其中男性5名，女性10名。

2.2 实验材料

实验包含视觉刺激。标准刺激为字母A,B,C,D，偏差刺激为爱因斯坦面孔图片。

2.3 实验过程

每个参与者参加了 2 次测试，测试间最多相隔 30 天。测试时，参与者坐在一个光线昏暗的房间里，面对着显示任务范例的电脑屏幕。每个测试以 30 秒的基线期开始，在此期间，计算机屏幕上会出现一个注视十字，然后是 10 个视觉Oddball任务block。每个block包含 100 个试次。20%的刺激为偏差刺激。每个block之间休息时间由参与者决定。具体流程见图1。

图1. 实验任务流程。

2.4 数据采集和处理

使用频域近红外光谱仪（来自 ISS Inc., Champaign, IL 的 Imagent Functional Brain Imaging System）以 62.5 Hz 的采样率收集 NIRS 测量值。使用定制的皮革头带将 690 nm 和 830 nm 波长配对的五个激光二极管光源和 4 个光电倍增管探测器放置在参与者的前额上。头带上系着一块黑布，以阻挡外界光线。源和检测器位于 3 cm 距离处，如图 2 所示。源-检测器配置启用了跨越前额叶皮层的每个波长的 11 个测量通道。

实验需要分析来自 690 nm 和 830 nm 波长源的相位延迟和 DC 强度 FOS 测量值。相位数据是使用快速傅立叶变换 (FFT) 获得的，针对相位缠绕进行校正，并参考相应的 690 nm 和 830 nm 中间通道 C3，以获得相对相位延迟数据。

EEG数据由250 Hz 的采样率收集。六个电极放置在选定的 International 10-10 系统位置的 NIRS 头带周围，参考电极位于乳突，接地电极位于 AFz（图 2）。用双面胶将电极放置在参与者的皮肤上

图2. NIRS源-探测器和EEG导联分布。

3.实验结果

3.1 ERP结果

平均了100个试次ERP波形在偏差刺激出现后200ms出现正波峰，在300-500ms后出现负波（图3）。

图2. 100个试次的ERP平均波形

3.2 FOS结果

当平均 400 个试次，DC 强度在偏差刺激呈现后 150 到 250 ms间降低。 FOS 对偏差刺激的反应发生在左侧前额叶皮层通道中，也发生在一些参与者最远的右侧通道中。

3.3 FOS-ERP的时间地标相关性

在 9 名参与者中发现了FOS 和 ERP 偏差刺激的峰值之间的非零相关性；然而，仅在 7 名参与者中发现了具有统计学意义的相关性（p < 0.05）。200 毫秒左右的 FOS 负峰与 6 名参与者的正 ERP 峰显着相关。对于 1 名参与者，还发现 300 ms 处的负 ERP 与 275 ms 左右的负 FOS 峰值之间存在显着相关性。

3.4 FOS-ERP 光谱关系

由偏差刺激引发的FOS 和 ERP 反应的一致性在 3-5 Hz 频率范围内具有统计学意义（p < 0.01）。图 3 显示了 2-20 Hz 频率范围内所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道对的相干值示例。图 4 中显示了所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 对于偏差刺激的响应之间的大平均相干性。

图3. 2-20 Hz 频率范围内所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道对的相干值

图4. 所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 对于偏差刺激的响应之间的大平均相干性

4.结论

这项研究量化了视觉Oddball任务期间前额叶皮层中 FOS 和 ERP 反应之间的相关性。通过NIRS 信号的直流强度测量，在 15 名参与者中的 10 名中发现了对偏差刺激的 FOS 反应。使用相位延迟测量未发现 FOS 响应。在 FOS DC 强度和 ERP 对视觉的反应之间的时域和频域中发现了显着的相关性。

5.文献名称及DOI号

Proulx, N., Samadani, A.A. and Chau, T., 2018. Quantifying fast optical signal and event-related potential relationships during a visual oddball task. Neuroimage, 178, pp.119-128.

DOI:10.1016/j.neuroimage.2018.05.031