刺激沖突和反應沖突的事件相關電位特征：中頂部P3

唐丹丹　彭微微　楊青松　陳安濤　陳雪飛

摘要 在色-詞Flanker任務中，研究者采用2：1映射設計能構造兩類沖突：刺激沖突和反應沖突。然而，這兩類沖突所涉及的神經機制還不清楚。本研究采用2：1映射設計，記錄了31個健康成人被試完成色-詞Flanker任務時的行為和腦電數據。反應時數據顯示了明顯的刺激沖突和反應沖突。事件相關電位結果表明，中頂部P3峰值與刺激沖突有關，峰潛伏期能預測反應沖突。所以，中頂部P3反映了刺激沖突和反應沖突的神經機制。

關鍵詞 2：1映射設計，色-詞Flanker任務，事件相關電位，P3。

分類號 B842.5

1前言

在認知控制研究中，當個體完成一致性任務時，如Flanker任務（Eriksen&Eriksen;，1974）、Simon任務（Simon，1990）和Stroop任務（Stroop，1935），相對于干擾刺激和目標刺激一致（congru-ent，c或CO）的條件，被試在兩者不一致（in-congruent，I）條件下的行為反應更慢，錯誤率可能更高。即在I條件下，被試表現出明顯的行為沖突，沖突量可用I-C來計算。

采用2：1映射設計（2：1 mappingdesign，兩種刺激對應一個反應鍵）（De Houwer，2003；Eriksen&Eriksen;，1974）可將一致性任務中的I條件進一步細分為刺激不一致（stimulus incongruent，SI）和反應不一致（response incongruent，RI）兩種條件。在sI條件下，干擾刺激和目標刺激不同，但是它們所激活的反應相同；在RI條件下，干擾刺激和目標刺激不同，它們所激活的反應也不同。由此，干擾刺激和目標刺激之間的沖突可分解為發生在刺激加工水平上的刺激沖突（stimulus conflict，SC）和發生在反應輸出水平上的反應沖突（responseconflict，RC）（Kornblum，Hasbroucq，&Osman;，1990；van Veen，Cohen，Botvinick，Stenger，&Carter;，200 1；Zhang，Zhang，&Kornblum;，1999）。在反應時或錯誤率上，可用SI-CO和RI-SI來分別量化這兩類沖突。

維度重疊（dimensional overlap，DO）模型對SC和RC的產生提出了合理的解釋（Kornblum eta1.，1990；Kornblum&Lee;，1995）。該理論認為，在一致性任務中，刺激同時包含了兩個維度，一個維度與任務相關（目標維度），另一個維度與任務無關（分心維度）。在刺激反應映射規則的作用下，這兩個維度會出現不同程度的重疊，從而產生沖突。如果重疊只發生于目標刺激和分心刺激的加工階段，那么這兩個維度將激活相同的反應，從而只產生SC。如果重疊出現在目標刺激和分心刺激的反應輸出階段，那么這兩個維度將激活不相同的反應，從而產生RC。在一致性任務中，研究者通常設計c和I兩種條件。然而，在這樣的設計中，在I條件下，重疊既出現在目標刺激和分心刺激的加工階段，又出現在反應輸出階段。所以，I條件既包含了SC，又包含了RC。為了考察這兩類沖突的產生機制，研究者通常聯合采用一致性任務和2：1映射設計。

先前的事件相關電位（event-relatedpotentials，ERPs）研究發現，在Flanker任務中，c條件下的P3波幅比I條件下的P3波幅更大（Doucet&Stelmaek;，1999）。由于Botvinick等人（Botviniek，Cohen，&Carter;，2004；Braver，Batch，Gray，Molfese，&Snyder;，2001）提出，沖突是任務難度的一個典型特征（Gevins，Smith，McEvoy，&Yu;，1997；Posner&DiGirolamo;，1998），所以P3波幅可能與任務難度有關，任務越難，P3波幅越小（Picton，1992）。另外，Purmann等人采用Flanker任務考察了沖突加工的時間過程（Purmann，Badde，Luna-Rodriguez，&Wendt;，2011）。結果發現，I條件下的P3峰潛伏期比c條件下的P3峰潛伏期更長。由于P3峰潛伏期是量化刺激評估所需時間的指標（Kutas，McCarthy，&Donchin;，1977），所以Flanker任務中的沖突可能發生在刺激評估過程中。

綜上所述，采用基于色-詞Flanker任務（Chen，Tang，&Chen;，2013）的2：l映射設計，本研究以中頂部（centro-parietal region）P3為ERPs指標（Polich，2007），揭示了SC和RC的神經機制。

2方法

在Tang，Hu，Lei，Li和Chen等人（2015）的研究中，研究者采用基于色詞Flanker任務（Chen eta1.，2013）的2：l映射設計和前測練習后測范式，在時頻域（time-frequencydomain）上揭示了練習對SC和RC的影響及其神經振蕩機制；在時域（time domain）上，對于SC和RC，P3平均波幅不受練習因素的影響。另外，研究者只利用了前測和后測的數據，這導致數據的利用率很低。基于這些考慮，本研究對Tang等人（2015）的行為和ERPs數據重新進行了分析。

2.1被試

31名18-26歲的健康成人（21名女性）自愿報名參加本實驗。他們的平均年齡為22歲，標準差為2歲。所有被試均口頭報告為右利手，視力或矯正視力正常，在此之前沒有參加過類似實驗，且對本次實驗目的毫無知情。所有被試在環境舒適的實驗室里單獨參加測試，并在實驗前填寫知情同意書，實驗完成后得到一定報酬。

2.2實驗儀器與材料

采用計算機呈現刺激，計算機的顯示器為聯想LX-GJ556D，17寸彩顯，分辨率為1024～768，顏色為真彩色，刷新率為85 Hz，屏幕背景為黑色。實驗程序由E-prime心理學軟件（美國匹茲堡）編制運行，被試的反應由QWERTY鍵盤記錄。被試距屏幕的距離約為60 cm。

所有刺激呈現于屏幕中央。刺激由白色的注視點（+）及三個水平排列的漢字（紅、綠、黃或藍；漢字之間無間隙）組成，字體為白色、宋體四號。中間的漢字是目標刺激，兩側的漢字（意義相同）是干擾刺激。其中，干擾刺激可能與目標刺激意義相同，也可能與目標刺激意義不同。

2.3實驗設計

本研究采用了基于色-詞Flanker任務的2：1映射設計（Chen et a1.，2013；De Houwer，2003；Tang eta1.，2015）。指導語告知被試忽略干擾刺激的字義，根據目標刺激的字義又快又準地做反應。若目標刺激為“紅”或“綠”，則被試用左手食指按Q鍵，若目標刺激為“黃”或“藍”，則被試用右手食指按P鍵。由干擾刺激字義和目標刺激字義的一致性可以獲得CO（如“紅紅紅”）、sI（如“紅綠紅”）和RI（如“綠黃綠”）三種刺激類型。

在正式實驗前，所有被試完成16個練習試次，以使他們熟悉刺激反應映射規則（這些規則與正式實驗一致）。正式實驗共包含7個block，第一個block和最后一個block各包含192個試次，中間五個block各包含240個試次。所有試次被隨機地排列。在每個block中，CO、sI和RI試次的數量相等。這樣的設計能保證ERPs分析中，每個條件有足夠多的疊加次數，從而提高了信噪比。另外，每完成一個block，被試休息2分鐘，以減少疲勞效應對研究結果的影響。

2.4實驗程序

實驗流程圖如圖1。每個試次的刺激呈現順序如下：（1）300 ms的白色“+”注視點；（2）時間間隔在800到1000ms內隨機變化的黑色空屏；（3）三個水平排列的漢字，被試需在1500 ms內做出反應，反應之后刺激立即消失（如果被試在1500 ms內沒有做出反應，該試次將被記錄為錯誤反應的試次）；（4）時間間隔在800到1200 ms內隨機變化的黑色空屏。

2.5腦電記錄

采用國際10-20系統擴展的64導電極帽，以Brain Products GmbH（德國慕尼黑）記錄EEG信號。參考電極為FCz電極點，接地點在FPz和Fz的中點，所有電極處的頭皮電阻都在5 kQ以下。為了監測眨眼和眼動偽跡，在左眼下眼瞼處同步記錄垂直眼電（vertical electro-oculographic，VEOG），并在左眼眼眶外側約1 cm處同步記錄水平眼電（horizontalEOG，HEOG）。EEG信號的濾波帶通為0.01-100 Hz，采樣率為500 Hz/導。

2.6行為測量與統計分析

行為數據采用IBM SPSS 20.0統計分析軟件進行處理。對于RT的分析，本研究首先剔除錯誤反應的試次（占所有試次的3.78%）和錯誤反應后的試次（占所有試次的2.93%）；然后剔除RT超出土3SD的極端反應試次（占所有試次的0.86%）。

2.7EEG數據處理與統計分析

2.7.1預處理

本研究采用基于MATLAB環境的EEGLAB（Delorme&Makeig;，2004）軟件（開源工具箱）對EEG數據進行預處理。首先將EEG數據重參考到雙側乳突電極。再對連續的EEG數據進行30 Hz的低通濾波和1Hz的高通濾波。然后剔除所有錯誤反應的試次（占所有試次的3.78%）和錯誤反應之后的試次（占所有試次的2.93%）。接著對剩下的EEG數據進行分段（epoch），分析時程被鎖定為從漢字呈現前200 ms到漢字呈現后1000 ms的時間窗，以漢字呈現前的200 ms（200 ms到0 ms）為基線校正數據。肌電（electromyographic，EMG）偽跡、放大器飽和所引起的偽跡以及其它偽跡通過手動方法去除。眨眼和眼動偽跡采用實證的獨立成分分析（independent component analysis，ICA）算法校正（Delorme&Makeig;，2004；Jung et a1.，2001；Makeig，Jung，Bell，Ghahremani，&sejnowski;，1997）。在所有數據集中，個別被移除的獨立成分（ICs）具有很大的眼電偽跡和前額葉的頭皮分布。這些預處理步驟與先前的研究相似（Tang，Hu，&Chen;，2013；Tang et a1.，2015；Tang，Hu，Li，Zhang，&Chen;，2013；唐丹丹，陳安濤，2013）。

2.7.2ERPs分析

（1）在CO、sI和RI條件下，分別繪制出每個電極點的總平均ERPs波形。

（2）基于前人對P3的研究發現（Polieh，2007；Tang et a1.，2015）和總平均波形圖，本研究以中頂部[（PI+Pz+P2+CPI+CPz）/5]為感興趣區域（regions of interest，ROI），在400到600 ms的時間窗內分別測量了CO、SI和RI條件下的P3峰值（pV）和峰潛伏期（ms）。注意，將多個電極點處的ERPs數據進行總平均能提高ERPs分析的信噪比（Cohen&vanGaal;，2013）。

（3）根據P3的峰潛伏期，分別繪制CO、sI和RI條件下的峰值地形圖。

（4）對P3的峰值和峰潛伏期分別進行3水平（CO、sI和RI）的單因素重復測量ANOVA，并采用Mauehly法檢驗球形假設：若違反了球形假設（p<0.05），再采用Greenhouse-Geisser法校正自由度（Girden，1992）。事后檢驗采用Bonferroni法校正p值，顯著性水平設定為p<0.05。

（5）行為上，SC和RC可以分別用SI-CO和RI-SI量化，值越大沖突越強。ERPs上也可以分別用ERP（sI-CO）和ERP（RI-SI）表示SC和RC。為了考察ERPs（峰值、潛伏期）和RT的關系，分別對RT（si-co）和ERP（S1420）、RT（RI-SI）和ERP（RI-SI）進行Pearson積差相關分析（雙尾）。

3結果

3.1行為結果

表1展示了CO、SI和RI三種條件下的平均RT和錯誤率結果。

對于RT，3水平（CO、sI和RI）的單因素重復測量方差分析揭示了顯著的差異，F（2，60）=269.20，p<0.00l，偏η²=0.900。事后檢驗發現：CO

對于錯誤率，3水平（CO、SI和RI）的單因素重復測量ANOVA揭示了顯著的差異，F（1.13，33.97）=34.54，p<0.001，偏η²=0.535。事后檢驗顯示，CO和sI條件的錯誤率都顯著小于RI條件的錯誤率，p<0.001。所以，錯誤率結果揭示了明顯的反應沖突。

3.2ERPs結果

圖2展示了CO、SI和RI三種條件下的ERPs結果。圖2A展示了CO、SI和RI條件的總平均ERPs波形圖和P3峰值地形圖。由圖2A可知，在400到600ms的時間窗內，CO、SI和RI條件都引發了明顯的中頂部P3成分，且峰值呈現出依次減小的趨勢，但峰潛伏期依次增加。

對于P3峰值，3水平（CO、SI和RI）的單因素重復測量方差分析顯示了顯著的差異，F（2，60）=11.87，p<0.001，偏η²=0.283。事后檢驗發現：SI

對于P3峰潛伏期，3水平（CO、SI和RI）的單因素重復測量方差分析顯示了顯著的差異，F（2，60）=20.48，p<0.001，偏η²=0.406。事后檢驗發現：CO

圖2B直觀展示了CO、SI和RI條件下的P3峰值和峰潛伏期。由圖2B可知，P3峰值明顯受到刺激沖突影響，而其峰潛伏期明顯受到反應沖突影響，這與統計結果一致。

為了進一步考察ERPs和行為RT的關系，本研究分別以RT_（SI-CO）和ERP_（SI-CO）為變量、RT_（RI-SI）和ERP_（RI-SI）為變量進行了Pearson積差相關分析（雙尾）。對于中頂部P3峰值，結果沒有顯示顯著的相關，p>0.1。而P3峰潛伏期差異P3_（RI-SI））能穩定地預測反應沖突RT（RI-SI），r=0.470，p=0.008（圖2C）。

4討論

本研究采用基于色詞Flanker任務的2：1映射設計，揭示了SC和RC的神經電生理特征。RT結果發現了顯著的SC和RC，這與先前的研究結果一致（Chen et a1.，2013；Tang et a1.，2015）。ERPs結果表明，對于中頂部P3（400到600 ms），（1）CO條件下的峰值顯著大于SI和RI條件下的峰值；（2）RI條件下的峰潛伏期顯著長于SI和CO條件下的峰潛伏期。并且P3峰潛伏期差異P3_（RI-SI）與RT差異RT_（RI-SI）呈顯著的正相關關系。這些結果共同表明，在色詞Flanker任務中，SC和RC的產生涉及到中頂部P3峰值和潛伏期的變化。

4.1行為發現

RT結果顯示了明顯的SC和RC。這表明，在色詞Flanker任務中，同時存在兩類沖突。SC可能發生在目標漢字和分心漢字的刺激加工階段，RC的產生可能是因為目標漢字和分心漢字所激活的反應不同，從而出現了反應競爭。

錯誤率結果顯示了明顯的RC。由表1可知，三種條件下的錯誤率都很低，可能出現了地板效應。考慮到本研究采用的是基于色詞的Flanker任務，實驗材料是紅綠黃藍四個漢字，并且被試是大學生，因此任務難度小，從而導致很低的錯誤率。

4.2ERPs發現

4.2.1P3峰值

有研究采用Flanker任務發現，c條件下的P3波幅比I條件下的P3波幅更大（Doucet&Stelmack;，1999）。由于I條件下包含了沖突，所以任務的難度更大（Botvinick et a1.，2004；Braver et a1.，2001），這暗示P3波幅與任務難度有關，任務越難，P3波幅越小（Picton，1992）。本研究發現，對于中頂部P3（400到600 ms），CO條件下的P3峰值明顯大于sI和RI條件下的P3峰值，而sI和RI條件下的P3峰值無顯著差異。所以，P3峰值結果可能說明sI和CO條件下的刺激加工難度不同。

根據DO模型（Kornblum et a1.，1990；Kornblum&Lee;，1995），SC發生在目標刺激和分心刺激的刺激加工階段，即目標刺激和分心刺激的加工難度差異可能導致SC（Botvinick et a1.，2004；Braver eta1.，2001）。本研究結果進一步表明，中頂部P3峰值可能是衡量SC的有效指標。不過，這一結論仍然需要進一步研究證實。

4.2.2P3峰潛伏期

先前的研究證實，P3峰潛伏期與反應選擇和執行加工無關（Kok，2001；Luck，2005），而只與刺激評估所需的時間有關（Kutas et a1.，1977）。例如，在Purmann等人（2011）和Houlihan，Campbell和Stelmack等人（1994）的研究中，研究者采用Flanker任務考察了沖突加工的時間過程。結果發現，I條件下的P3峰潛伏期比c條件下的P3峰潛伏期更長。由此他們證實，刺激評估加工能影響P3潛伏期（Duncan-Johnson&Kopell;，1981）。

本研究發現，RI條件下的P3峰潛伏期顯著長于sI和CO條件下的P3峰潛伏期，而sI和CO條件下的P3峰潛伏期無顯著差異。這與錯誤率結果相符。Kutas等人（1977）發現，P3潛伏期與刺激評估所需的時間有關。結合行為結果，我們認為，由于RI條件的任務難度可能最大，被試對刺激進行評估所花的時間更長，所以P3峰潛伏期最長。因此，RC可能從刺激評估階段就開始產生。不過，這一結論還需進一步的研究證實。

另外，Pearson積差相關分析顯示，P3峰潛伏期差異P3（RI-SI）與RT（RI-SI）呈顯著正相關。這進一步說明，行為上的RC大小可能與刺激評估所需的時間有關。因此，本研究揭示，中頂部P3峰潛伏期可能是衡量RC的有效指標之一。

5結論

在色詞Flanker任務中，中頂部P3的峰值和峰潛伏期特征分別揭示了刺激沖突和反應沖突。