犬聽覺失匹配性負波研究

袁 野，葛學忠，張 躍，劉 云

（1.東北農業大學動物醫學學院，黑龍江 哈爾濱150030；2.哈爾濱鐵路公安局警犬繁育訓練基地，黑龍江，哈爾濱 150030）

犬的行為學研究在20 世紀90 年代得到了極大的發展，行為學實驗結果強有力的證明了犬具備極強的社會化認知和工作能力[1]。雖然這些實驗用到的行為學方法被作為建立犬多種擴展技能和理解犬認知力的首選工具，但其實驗結果還是較易受到諸如犬的動機、服從以及訓練水平等因素的干擾。這一系列問題必然導致了以行為學方法獲得的試驗結果其本身存在很大問題。具體而言，就是假設犬沒有完美的完成任務，但通常其本身可能具備通過這些測試的能力，僅僅是因為缺少對執行任務本身的欲望和對任務之需求的理解力，導致了任務無法被完成。由此可見，以基于物理學原理發展而來的腦電圖（Electroencephalo graphy，EEG）技術來衡量犬的認知過程相比于以行為學方法來對犬認知進行研究會是一種客觀中立而又行之有效的方法。

對動物腦電信號的研究還停留在EEG本身[2]，而少有深入到對動物的ERPs 及其成分的分析上。失匹配性負波（Mismatch negativity,MMN）就是一系列事件誘發電位（event-related potentials,ERPs）后成分中的一種，它是由一組相同的標準刺激（standard stimulus）中偶然出現的一個不同的偏差刺激（deviant stimulus）所引起的出現在刺激后160～220 ms 的成分。試驗表明，提取出MMN成分的概率和偏差刺激的發生概率成負相關，例如偏差刺激次數為總刺激次數的20%時，MMN的發生概率高于50%時的概率，因此MMN 被用來觀測重復刺激序列中的突發性成分[3]。在人類,由于MMN可能反映了高階認知情緒流程,它不僅可以在注意力得不到有效地集中時仍可得到有效誘發，還可以在睡眠、蘇醒或昏迷狀態下出現，故此在阿爾茨海默氏癥[4]和精神分裂癥[5]上得到了廣泛的應用。所以它的發現使科學界在研究腦的自動加工時有了客觀指標，使腦的自動加工、內隱認知、意識等較難研究的科學領域進入了一個新時期[3]。由此可見，對犬MMN進行提取和分析是一個對了解犬認知行為過程的特別有用的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 12 月齡史賓格犬2 只（哈爾濱鐵路公安局警犬繁育訓練基地）；日本光電EEG-9200K 型腦電記錄系統（東北農業大學動物醫學學院）；針式電極（日本光電）；吸音棉（廣州偉達）等。

1.2 刺激方法 采用Oddball 聽覺刺激范式，Oddball 范式是很好的適于提取到聽覺誘發MMN 的試驗范式，而聽覺誘發MMN 又提供了一個不需要任何行為學反應的信號[6]。本研究通過E-prime?軟件來實現聽覺刺激過程，標準刺激和偏差刺激聲音是由同一電腦音箱發出一系列兩種不同的短純音構成，標準刺激頻率為500 Hz，發生概率為90%，刺激強度為50±2 dB；偏差刺激的頻率為1 kHz，發生概率為10%，刺激強度為60±2 dB；單次刺激時間均為50 ms[7]。每個時間段（epoch）間隔2 s，每只犬的單次試驗全程為400 s，共180 次標準音刺激和20 次偏差刺激。刺激模式示于圖1。

圖1 刺激模式圖

1.3 試驗方法 所有的腦電記錄均在擺放有吸音棉的5 m×4 m 的腦電實驗室中完成，為了使犬只適應這種環境，本研究令每只犬在實驗室進行長達1 h 的環境適應探索行為，以使其達到最大限度的放松。而后對犬只進行麻醉，將記錄電極放置于Cz 點、參考電極置于Cz 點向前2 cm 的位置、接地電極置于乳突上皮[8]。無菌操作針電極，插入犬頭部下方的皮膚，在此過程中沒有犬只因針電極的插入或拔出出現疼痛或痛苦的跡象。設置腦電記錄設備采樣率1 000 Hz，自帶濾波器全部關閉，環境溫度24 度，兩只犬均記錄到了完整的EEG信息。

圖2 標準刺激與偏差刺激誘發聽覺ER P 總平均

獲得原始數據后應用MATLAB 對標準刺激和偏差刺激時間段進行數據分段（epoch）、并參照美國加州大學圣地亞哥分校斯瓦茨計算神經科學中心（SCCN UCSD）的方法[9]對原始數據進行濾波和偽跡去除，而后單獨提取分段數據應用MATLAB對其進行迭加平均，進而獲得了兩犬只的總平均（grand average）ERP，結果見圖2。最后,應用配對t檢驗法對各時間窗（P50:30～70 ms；N100:80～120 ms；MMN:180～220 ms）內的兩組數據進行統計學分析[10-12]。

2 試驗結果

2.1 P50 成分 在P50 成分時間窗口內由偏差刺激誘發產生的P50的局部峰振幅為2.478 μV，發生于52 ms。由標準刺激誘發產生的P50 的局部峰振幅為2.745 μV，發生于54 ms，p=0.8428、t=-0.1996、df:40，兩組波形內在成分沒有明顯差異。

2.2 N100 成分 在N100 成分時間窗口內由偏差刺激誘發產生的N100 的局部峰振幅為-3.974 μV，發生于87 ms。由標準刺激誘發產生的N100 的局部峰振幅為-2.493 μV，發生于82 ms，p =0.9839、t =-0.0203、df :40，時間窗口內兩組波形內在成分沒有明顯差異。

2.3 MMN成分 在MMN成分時間窗口內由偏差刺激誘發產生的MMN的局部峰振幅為-9.785 μV，發生于209 ms。由標準刺激誘發產生的MMN 的局部峰振幅為-0.5529 μV，發生于169 ms，p=4.3499e-32、t=-35.9809、df:40,時間窗口內兩組波形內在成分差異顯著。

2.4 結論 偏差刺激和標準刺激所誘發的P50、N100 的波形在各自的分析時間窗口內并無顯著的統計學差異，而MMN 波形則存在著顯著差異。這是偏差刺激誘發犬聽覺MMN 的證據。

表1 標準刺激、偏差刺激誘發P50、N100、M M N的潛伏期、局部峰振幅和統計數據

3 討論

30 ms 到70 ms 和80 ms 到120 ms 這兩個時間窗口內由標準刺激和偏差刺激分別誘發所產生的波形并無顯著的統計學差異，這表明了標準刺激和偏差刺激所誘發的P50 和N100 在內在成分上并無顯著差異,意味著刺激的物理性質（強度、頻率）與MMN 的出現與否是無關的。

180 ms 到220 ms 這個時間窗口內的統計學結果則顯示，在此時間窗內由標準刺激和偏差刺激所誘發的波形是具有顯著的統計學差異的，這說明在偏差刺激和標準刺激后180 ms 到220 ms 這一時間窗內的成分具有顯著的不同。也就是說本研究記錄到了在刺激發生后180 ms 到220 ms 的時間窗口內偏差刺激具有標準刺激所不具備的ERP 成分，這些成分以電位變化的形式體現了大腦在成序列的偏差刺激和標準刺激下對聲音刺激這一單一變量不同的識別加工模式和過程，其在EEG上的體現就是只存在于偏差刺激后209 ms、局部最大峰值為-9.785 μV 的負波。由此可見，是偏差刺激的出現導致了在其發生180 ms 后的ERP 成分產生了變化，上述現象與現有試驗記錄到的人類和其他動物的聽覺誘發MMN 試驗結果是相類似的[13-14]。假如這個成分產生于人類，則意味著被測試人感知到了這兩組聲音的不同，在此試驗中則意味著被測試的犬感知到了這兩組聲音的不同。

所有證據都表明了，本研究所獲得的在偏差刺激后采集到的局部最大峰值為-9.785 μV 的負波是由于犬機體對突然變換的刺激進行認知加工而產生的一組誘發腦電信號。這是一個重要的發現，雖然本研究還需要對其進一步研究以了解這些結果是否可靠，具體而言就是要對一個大樣本的犬進行試驗，這個樣本需要對包括不同品種、大小和頭部的形狀的犬進行更細致的評價研究。除此之外，需要進一步研究的還有三點。第一，本研究的方法只使用了一個記錄電極，這與人類誘發聽覺MMN 的記錄方式是不同的。故此，本研究需要更多的研究，以了解犬的誘發聽覺MMN 究竟同人類的聽覺誘發MMN 有多大程度的異同。第二，聽覺誘發MMN 的研究也已經在涉及人類言語認知領域引起了相當高的重視，這些涉及語言元素的電生理反應的研究可以用來對犬的認知進行探討，以評估他們如何處理這些相關刺激。第三，MMN 成分通常由聽覺刺激誘發產生，但也在視覺和嗅覺刺激中被檢測出，假使本研究將對犬聽覺誘發MMN 的這種研究應用于嗅覺，將對更好地理解狗的嗅覺能力是特別有利的，因為犬的嗅覺并不是很好理解，但軍隊、警察和政府機構卻又高度依賴于犬的嗅覺[15]。具體而言，因為犬的嗅覺遠遠超過人類，訓導員是無法依靠自己的嗅覺來確定犬是否已經檢測到目標氣味，研究犬的聽覺誘發MMN 將使本研究能夠了解狗的氣味辨別能力的程度，并讓訓犬員能夠了解受訓犬只是缺少基于氣味的條件發射行為或其他因素，如動機、訓練水平等。

總的來說，本研究以經典的Oddball 范式記錄到了偏差刺激使犬產生聽覺MMN 的現象，并發展了一個適用于獸醫研究的微創ERPs 提取方法，這種方法將提供給犬認知行為研究人員一種對犬的認知能力評估、加強行為研究的有效方法，使本研究對人類最親密的伴侶動物認知能力的相關知識和理解能力得到迅速的加強。

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