獎賞性線索啟動和調控視覺搜索額頂網絡的神經機制

摘要

近期關于獎賞性信息與視覺搜索任務的交互作用研究體現在兩個層面，其一是施加外部獎賞能夠影響被試的視覺搜索反應時和正確率，其二是搜索目標本身具有獎賞特性也能夠影響行為反應。但是，獎賞性信息對負責視覺搜索的額頂注意網絡的動態啟動和調控作用仍不清楚。本研究結合Posner空間預提示范式和視覺搜索范式，采用快速事件相關功能磁共振成像技術，分別操縱線索提示階段的線索獎賞屬性(獎賞性vs.非獎賞性)和線索空間注意屬性(有效提示目標位置vs.無效提示目標位置)，并操縱目標搜索階段的目標屬性(獎賞性vs.非獎賞性)，探討以下兩個核心問題：(1)在線索提示階段，獎賞性線索產生的自上而下注意準備信號的神經基礎，以及該神經基礎與傳統的空間注意準備信號的異同；(2)在目標搜索階段，獎賞性線索對負責視覺搜索的額頂注意網絡產生的啟動和調控作用，重點考察對正確的獎賞性信息的定向過程和對錯誤的獎賞性信息的重新定向過程。

關鍵詞

視覺搜索；選擇性注意；Posner范式；獎賞；功能磁共振成像

分類號

B842

1

文獻回顧和問題提出

在環境中搜索潛在的帶有獎賞信息的刺激(例如，食物、可能的交配對象等)是非常具有進化意義的。視覺搜索范式作為研究視覺選擇性注意的主要范式之一，體現了人們在復雜的視覺環境中尋找目標物所遵循的規律。關于視覺搜索的行為模型及其神經機制研究有助于理解人類如何在復雜環境下進行視覺表征和視覺加工并做出適宜的反應。認知神經科學研究發現，參與視覺搜索任務的額頂注意網絡主要包括頂間溝、額葉眼區、顳頂聯合區，以及頂枕聯合區等區域(corbetta，Shulman，Miezin，Petersen，1995；Donner et al.，2002；Leonards，Sunaert，Van Hecke，Orban，2000；Marvritsaki，Allena，Humphreys，2010；Nobre，Coull，Walsh，Frith，2003；Wei，Mtiller，Pollmann，Zhou，2009，2011)。但是，無論在行為研究還是在認知神經科學領域，多數過去研究使用抽象刺激作為搜索材料。例如，被試在藍色的圖形中尋找紅色的圖形(基于特征的搜索)，或者在藍色的圓形和紅色的正方形中搜索一個藍色的正方形(基于特征整合的搜索)(見綜述WolfeHorowitz，2004；Eckstein，2010)。使用此類刺激的好處在于，能夠排除刺激本身的各種屬性對行為效應和神經機制的影響，可以單純地考察搜索本身的認知和神經機制。然而，其缺點在于不能反應現實生活中的搜索特點。在我們對外界刺激施加注意并做出反應的過程中，可能是因為該刺激具有較高的知覺顯著性，更有可能是因為從過去習得的刺激一結果聯結(stimulus-outcomeassociations)經驗使得個體意識到該刺激具有不同一般的意義(例如，獎賞性的或威脅性的，見綜述Pessoa，2009)。將認知過程與情緒或動機過程進行整合研究是目前的一個重要研究趨勢。最近，已有一些研究探討了情緒性信息影響視覺加工和視覺搜索的認知和神經機制。但是，采用認知神經科學手段來研究和揭示動機性信息，尤其是獎賞性信息與注意網絡的交互作用機制還相對較少(見綜述Kringelbach＆Berrige，2009)。本項目的研究目的在于，考察獎賞性線索調節視覺搜索注意網絡的認知和神經機制，以及獎賞性線索與空間注意線索在這種自上而下的調節機制上的異同。

獎賞是個體對能產生積極價值的一個物體、行為表現或者一種心理狀態的認可，可以分為初級獎賞(例如食物、性等)和次級獎賞(例如金錢、愉快的接觸、美好的事物等)。獎賞產生作用的直接證據是受獎賞者的行為有所改變，能夠得到獎賞強化的行為出現的頻率更高。腦內的獎賞系統主要包括兩條通路：邊緣通路(mesolimbic pathway)和腦皮層通路(mesocortical pathway)。邊緣通路是從腹側被蓋區(ventral tegmental area)經內側前腦束(medial forebrain bundle)到伏膈核(nucleusaccumbens)；而腦皮層通路是連接腹側被蓋區和腦皮層(尤其是額葉)的通路(近期綜述見ChiewBraves 2011)。個體對獎賞性信息的期望和識別如何通過這些通路來影響負責空間注意和行為決策等認知過程的大腦區域，從而影響個體的行為，是重要的研究問題。在視覺搜索任務中，過去研究主要從兩個角度來考察獎賞性信息對大腦額頂注意網絡的調控，其一是視覺搜索任務或空間注意任務伴隨著獎賞，其二是視覺搜索或空間注意任務的加工目標本身即是獎賞性刺激。針對第一個層面，近期研究發現，外在的獎賞能夠顯著影響認知任務的操作績效。例如，在人類視覺搜索任務中，出現概率較低(例如，10％)的目標很容易被漏掉(Wolfe，Horowitz，Kenner，2005)。但是，行為研究發現，如果給予被試獎勵，則被試對這種低概率出現的目標檢測率得到提升(Navalpakkam，Koch，＆Perona，2009)。動物電生理研究和人類被試的認知神經科學研究均發現，在伴隨獎賞的知覺學習任務中，被試對獎賞較高的刺激反應較快，獎賞相關的腦區以及空間注意相關的腦區均表現出活動增強(DorrisGlimcher，2004；Platt＆Glimcher，1999；Hampton，Adolphs，Tyszka，O’Doherty，2007；Sugrue，Corrado，Newsome，2004；Zink，Pagnoni，Martin—Skurski，Chappelow，Berns，2004)。例如，在特定的實驗區組中，猴子被試選擇特定的刺激(如紅色刺激)伴隨較高水平的獎勵，而選擇另一個刺激(如綠色刺激)則伴隨著較低水平的獎勵。結果顯示，腦內與獎賞相關的杏仁核和腹內側前額葉在這類學習和決策中扮演重要作用(Hampton et al.，2007)。在面對伴隨獎勵的刺激時，除了上述與獎賞相關的腦區有活動，負責空間注意的腦區(例如猴子的外側頂內區，Lateral Intra-Parietal area，LIP)也對高獎賞相關的刺激反應更強烈(PlattGlimcher，1999；Bendiksby，Platt，2006)。在視覺和運動信息均進行了匹配的條件下，這些負責空間注意的腦區對高獎賞刺激的放電預示著獎賞信息引起的空間注意偏好。人類被試的磁共振成像研究(smallet al.，2003，2005)發現，在獎賞區組中，負責空間注意的額頂網絡和獎賞相關的邊緣系統均顯著激活，外在獎賞對空間注意網絡可能存在直接的調控作用。在獎賞條件下，腦內獎賞系統可能需要不斷地給額頂網絡輸入信號，以保證認知任務的高效完成，從而使主體獲得期待的獎賞。這種獎賞信息對操作水平的影響是直接和有效的。但是，在上述研究中，被試在一種實驗區組中，也就是說在一段時間內，始終處于一個同定的動機狀態，不能考察獎賞性信息對空間注意網絡的瞬時啟動和調控過程。

針對第二個層面，即視覺搜索或空間注意任務的加工目標本身即是獎賞性刺激，近期為數不多的認知神經科學研究發現，具有較高獎賞性的客體，例如食物(LaBar et al.，2001；Mohanty，Gitelman，Small，Mesularn，2008)能夠顯著地捕獲注意，并引發獎賞相關腦區和額頂注意網絡的交互作用。Mohanty等人(2008)使用Posner范式(Posner，1980)，在視野中央呈現指示性的(directional)或非指示性的(non-directional)線索后，讓被試對呈現在外周的刺激做辨別反應。在食物條件下，被試需要辨別的刺激是多納圈或奶酪；在中性控制條件下，被試需要辨別的刺激是螺絲帽或螺母。研究者同時控制了被試的饑餓狀態，一半被試在饑餓狀態下進行磁共振掃描，另一半在飽食狀態下進行掃描。結果發現，相對于飽食狀態的被試，處于饑餓狀態的被試的杏仁核、后部扣帶回等區域對食物刺激反應強烈。另外，當被試處于饑餓狀態時，即食物刺激具有較高的行為相關性時，后部頂葉和后部扣帶回之間存在顯著的正相關；而當被試處于飽食狀態時，即食物刺激具有較低行為相關性時，這兩個區域的相關不顯著。這個研究說明，后部頂葉可能扮演著整合動機性信息和空間注意的角色，增強對行為相關性較高的刺激的加工，并減弱對行為相關性較低的刺激的加工，這個整合的過程對選擇性地分配注意資源非常重要，保證相關刺激能夠快速地捕獲注意。同一組研究者(Mohanty，Egner，Monti，Mesulam，2009)的研究進一步揭示，搜索恐懼性而孔能夠誘發杏仁核對額頂空間注意網絡以及面孔加丁區的神經信號輸入。在遇到具有較高行為相關性的刺激時，杏仁核和扣帶回對額頂注意網絡的特異性輸入能夠加快注意焦點的轉移，并能促進個體對目標進行快速探測和辨別。

綜上所述，過去研究采用不同范式研究了獎賞性信息與空間注意網絡的交互作用，但是，仍存在一些不清楚的問題。首先，在某個實驗區組施加獎賞或懲罰來提高被試的認知任務成績(DorrisGlimcher，2004；PlattGlimcher，1999；Hampton et al.，2007；Sugrue et al.，2004；Navalpakkam et al.，2009；Small et al.，2005；Zinket al.，2004)，只是改變了被試在一段持續時間內的動機狀態，不能直接地考察獎賞信息對空間注意網絡的動態的、瞬時的啟動和調控機制。人類執行功能的重要作用除了在我們面對獎賞性刺激時快速做出反應，更重要的是在相關刺激未出現但提示線索已出現時做出相應的準備(corbettaShulman，2002)。已有大量研究(例如，Bressler，Tang，Sylvester，Shulman，Corbetta，2008)考察了空間注意線索(例如，向左或向右的箭頭，提示目標即將出現的位置)引發的自上而下的注意準備信號的認知神經基礎。然而，過去關于獎賞性信息加工的認知神經科學研究中，研究者只操縱了目標的行為相關性，卻沒有操縱線索的行為相關性。例如，在Mohanty等人(2008)的研究中，線索提示了目標出現的位置，但沒有提示目標的獎賞屬性(是否是渴求的)。這樣，作者只能檢驗目標真正出現時渴求刺激相對于非渴求刺激引發的特殊神經機制。但是，如果操縱線索的屬性，使之對目標的屬性(是否渴求)進行提示，則可以直接檢測渴求性線索相對于非渴求性線索是否已經引起了注意網絡的不同狀態，這將有助于直接考察獎賞系統對注意網絡的啟動作用。值得注意的是，空間注意線索調控主體對目標空間位置的表征，而客體屬性線索調控主體對目標獎賞屬性的表征，這兩種線索引發的自上而下的注意準備信號是否存在差異性的神經基礎，是本研究著重考察的第一個問題。

其次，執行功能的另一個重要作用是對錯誤的信息進行重新定向。線索指示的位置和目標出現的位置不一致時，則引起注意轉移沖突，注意網絡需要進行解脫(disengagement)，或注意的重新定向(reorienting)，這在人類空間注意領域已得到廣泛研究(例如Shulman et al.，2009)。近期動物電生理研究表明，獎賞性信息也可以引發動機性的注意轉移沖突(Isoda＆Hikosaka，2008；Watanabe，Hikosaka，Sakagami，Shirakawa，2002)。例如，經過訓練后的猴子必須在特定的實驗區組中向左視野目標(或向右視野目標)進行眼動，同時，猴子知道右視野目標(或左視野目標)伴隨著較大的獎賞(三滴果汁)或較小的獎賞(一滴果汁)。當動物在該區組必須進行向左眼動(如果動物不進行向左眼動，則同一試次會反復重復)，但是右側目標伴隨更高的獎賞時，也就是說猴子想做的事和必須做的事發生沖突時，上丘(superiorColliculus)中眼動相關神經元的活動暫時受到抑制，并且猴子對目標的眼動潛伏期延長。在人類空間注意領域，仍沒有研究考察獎賞性信息引發的額頂注意網絡對錯誤的刺激屬性進行重新定向的神經機制。當空間性線索或目標屬性線索提示的獎賞信息有誤時，額頂網絡如何對錯誤的獎賞性信息進行重新定向，是本研究關注的第二個問題。

2 研究方案

針對上述問題，本研究結合Posner空間預提示范式和視覺搜索范式，采用快速事件相關功能磁共振實驗設計，動態地考察獎賞性信息對視覺搜索額頂注意網絡的調控作用。本項目共設計了兩個功能磁共振成像實驗。實驗一的自變量包括線索提示階段的線索獎賞屬性(獎賞性vs.非獎賞性)和目標搜索階段的目標屬性(獎賞性vs.非獎賞性)。在實驗一的搜索試次中，被試首先看到提示線索(該線索不提示目標的空間位置，只提示目標的獎賞屬性)，接著在隨后出現的視覺搜索集中搜索目標(目標可能是獎賞性的或非獎賞性的)。實驗二的自變量增加了線索的空間注意屬性(有效提示目標位置va.無效提示目標位置)。也就是說，被試看到的線索包括兩個屬性，獎賞屬性和空間提示屬性。這樣，每個試次的線索能夠快速地引起被試產生兩種自上而下的注意準備信號。在行為水平上，兩個實驗的因變量均是被試在不同條件下的反應速度和準確率；在神經機制水平上，通過功能磁共振成像技術來考察線索提示階段和目標搜索階段的大腦各區域血氧變化水平，從而考察在不同的線索提示條件下和在不同的搜索條件下，額頂注意網絡的激活水平如何受到獎賞性信息的影響。具體來講，本研究方案需要解決以下幾個問題。

1)考察純粹的自上而下的獎賞性刺激線索的提示作用及其神經機制。在真實刺激沒有出現時，被試還沒有實施自下而上的注意選擇，線索提示導致的準備性或預期性注意狀態可以作為自上而下的注意控制的一種標志。以往關于獎賞性信息的自上而下注意定勢研究大多采用在一個實驗區組中對被試進行獎賞或懲罰，表現為持續的自上而下的注意定勢。在刺激呈現過程中保持注意定勢的過程，它體現為一種持續的(sustained)，不隨刺激出現而改變的期望性活動(例如，Mantini，Corbetta，Perrucci，Romani，Gratta，2009)，而不是瞬時的(transient)自上而下的注意定勢。在本項目中，我們將通過箭頭的方向來指示目標可能出現的位置(空間線索)，通過箭頭的顏色來提示獎賞屬性(目標屬性線索)，從而重點考察線索階段的注意準備信號。為了將線索引發的自上而下注意準備信號，與負責檢測或識別真正的目標刺激的神經活動區分開，一個重要的方法是在時間上將與線索相關的神經過程和與目標加工有關的神經過程區分開

(Corbetta，Kincade，Ollinger，McAvoy，Shulman，2000；Hopfinger，Buonocore，Mangun，2000)。顏色作為簡單的知覺特征，不具有任何的獎賞特性，但是當它指示不同的獎賞屬性時，我們可以直接考察該線索引起的準備性的或期望性的注意控制信號的神經基礎。

2)考察獎賞性線索對負責視覺搜索的額頂注意網絡的動態啟動和調控作用，包括兩個方面的調控：①對正確的獎賞性信息的定向過程，和②對錯誤的獎賞性信息的重新定向過程。認知神經科學證據提示，額頂注意網絡能夠根據線索提示的相關信息來啟動相應的空間的、特征的或動機性的信息(Egner et al.，2008；Gottlieb，Kusunoki，Goldberg，1998；Mohanty et al.，2008，2009)，從而影響注意資源的分配(FecteauMunoz，2006；Gottlieb，2007)。動物電生理研究表明，當期望的目標位置處在頂間溝神經元的感受野內，對該空間位置的預期能夠啟動頂問溝神經元的放電(Moran and Desimone，1985；Treue and Maunsell，1996)；而動機性的期待也能夠導致頂間溝神經元放電增加(Bermpohl et al.，2006a，2006b)。當線索提示的獎賞信息正確時，額頂網絡接收來自扣帶回邊緣系統部分的神經輸入，而扣帶回和杏仁核緊密相連，使得動機性信息通過扣帶回的中轉到達額頂網絡，并引發正確的注意轉移和注意定向。但是，當線索提示的獎賞信息有誤時，額頂網絡如何擺脫錯誤的信息輸入，并及時進行注意重新定向是值得深入考察的問題。

3)考察空間性線索和動機性線索如何共同影響或交互影響視覺搜索額頂注意網絡。在當前的研究中，我們將在實驗二中同時控制獎賞性線索和空間線索。一方面，能夠直接對比獎賞性注意線索和空間性注意線索對額頂網絡的調控作用的異同，以及二者在神經機制上(尤其是扣帶回部分)的交互作用。本研究的預實驗發現，在行為水平上，相對于刺激屬性線索無效或空間線索提示無效條件，刺激屬性線索有效或空間線索提示有效均導致被試出現反應時的易化效應，即反應時縮短。進一步地，空間線索的易化效應量受到目標屬性的調節。當目標為普通圖片時，刺激屬性的有效性和空間位置的有效性引發等量的易化效應；而當目標為獎賞刺激時，刺激屬性的有效性比空間位置的有效性引發更大的易化效應。

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小結

總之，大腦如何利用環境中的獎賞性線索或空間注意線索，啟動和調控視覺搜索過程是本研究重點關注的科學問題。線索提示該目標具有獎賞性，則行為主體對該目標的預期就強，從而引發較高的注意準備信號，易化對目標的搜索。通過考察獎賞性線索如何誘發自上而下的注意準備信號，可以揭示人腦對行為相關性較高的客體的動機誘發過程。近期電生理研究發現，猴子的外側頂內區能夠直接表征目標伴隨的獎賞性信息(例如果汁多少)并依此準備適宜的眼動(Klein，Deaner，Platt，2008)。這說明，頂葉能夠表達外在信息的抽象屬性并據此進行注意分配。在人類被試的研究中，已有大量研究發現傳統的空間注意準備信號主要激活額葉眼區、頂間溝等額頂區域(Woldorff et al.，2004)，這些區域負責對線索的含義(例如，向左或向右)進行加工并按照線索指示準備注意轉移。在當前的研究中，通過對比獎賞性線索引發的自上而下的注意準備信號，與空間注意線索引發的注意準備信號的異同，可以揭示人類對基于客體抽象屬性的表征和基于空間線索的表征的差異的和共同的神經基礎。此外，在當前研究中，獎賞信息對操作水平的影響是快速和直接的，通過考察獎賞相關腦區對視覺搜索額頂注意網絡的調控作用，可以揭示動機過程如何動態地調控額頂注意網絡來分配注意資源。我們預測，在獎賞條件下，腦內獎賞系統需要不斷地給額頂網絡輸入信號，以保證被試能夠根據線索適當地分配注意，從而使主體獲得期待的獎賞。這些結果將能夠為理解人類動機過程和注意過程的交互影響提供新的證據。