重复测试中奖励正波与P300 ERP成分变异性来源的研究

《Frontiers in Neuroscience》：Examining sources of variability in repeated testing of the rewards positivity and P300 ERP components

　　

摘要 引言：事件相关电位（event-related potentials, ERPs）能够提供毫秒级分辨率的认知与情感过程测量，因此成为人类神经科学研究的基础工具。清晰理解其信度、稳定性和敏感性对于自信地解读实验结果至关重要，尤其是在多个任务按顺序测量几种ERP的多任务方案中。本研究考察了两个广泛使用的成分——P300和奖励正波（rewards positivity）的三个变异性来源：重测信度、重复测量中的系统性幅度变化以及顺序效应。 方法：26名成年人在约2小时内完成了五次认知评估，每次评估包含一个视觉oddball任务和一个双臂赌博机任务（two-armed bandit task）；每次评估内的任务顺序被独立随机化。信度采用组内相关系数（intraclass correlation coefficients, ICCs）量化，重复评估间的变化采用线性混合效应模型检验，顺序效应则通过考虑参与者内重复观测的混合效应模型进行评估。 结果：P300在所有五次评估中均表现出优秀的信度（ICC = 0.91）。奖励正波的条件波与差异波测量之间存在明显分歧：差异波呈中等信度（ICC = 0.52），而底层的赢（0.92）和输（0.92）波则表现出优秀信度。奖励正波幅度未显示随评估次数呈线性变化的证据，而P300幅度在整个测试期间系统性增加。两种成分均未观察到顺序效应的证据，表明在此长度的实验时段内，任务顺序并未对ERP幅度产生有意义的影响。 讨论：综合来看，这些发现描述了P300和奖励正波在重复时段内测试中信度和时间相关变异性的特征，并为多任务脑电图（electroencephalography, EEG）方案提供了实践指导。

论文解读

研究背景

在科学探索以及日常生活中，操作的顺序至关重要。例如，先系鞋带再穿鞋是没有意义的。然而，有时确定正确的顺序很困难，比如跑步前还是跑步后拉伸更好。在设计包含多个任务的实验时，通常很难知道一个任务可能对另一个任务产生何种影响。在脑电图（electroencephalography, EEG）研究中，事件相关电位（event-related potentials, ERPs）是在微伏尺度上测量的，即使是微小的非受控影响也可能掩盖或模拟实验效应。当引发ERP的任务按顺序施用时，三个变异性来源需要特别关注：信度（reliability），即跨重复评估测量的一致性；时间相关变异性（time-related variability），即跨重复评估成分幅度的系统性变化；以及顺序效应（order effects），即前一任务对后续任务所引发的ERP的影响。每一个因素都可能独立地改变ERP幅度，未能考虑其中一个因素可能导致对另一个因素的错误归因。

本研究重点关注的两个ERP成分是奖励正波（rewards positivity）和P300。在基于奖励的学习过程中，大脑将预期结果与实际结果进行比较，两者之间的差异反映在奖励正波中，这是一个在反馈后约250-350毫秒出现在额中央区部位的ERP成分。更大的差异会产生更大的幅度，随着学习进行和结果变得可预测，该成分会减弱。汇聚的证据将奖励正波与中脑奖励回路中的相位性多巴胺能信号传导联系起来，该信号在前扣带回皮层水平得到反映。先前关于奖励正波差异波重测信度的研究报告了从差到中等的值，尽管分别考虑的赢和输反馈的条件波实质上更可靠。第二个值得关注的成分是P300，它在刺激呈现后约250-500毫秒达到峰值，并在顶叶头皮部位最大。功能上，P300与情境更新（context updating）、注意力资源分配以及神经抑制有关。其神经基础可追溯到蓝斑-去甲肾上腺素系统的相位性活动。P300的重测信度通常在从数周到超过一年的延迟期内表现良好至优秀，表明该成分足够稳定，使得跨条件的幅度差异能够反映系统性影响而非测量噪声。同时，在持续、认知要求高的任务中已有P300幅度衰减的记录，通常归因于任务脱离和精神疲劳。然而，这些发现主要是在连续任务执行期间观察到的，其中重复刺激暴露与持续的认知投入同时发生。当相同的任务作为几个由休息间隔开的简短评估（而不是作为一个连续的区块）施用时，是否会出现类似的衰减仍然是一个悬而未决的问题，这也是本研究的动机所在。这一区分很重要，因为分开评估打断了连续的认知投入，同时保留了重复暴露于引发ERP范式的机会。因此，研究人员检验了P300或奖励正波幅度是否在由休息间隔开的分布评估中发生变化。

本研究评估了这些成分的三个变异性来源：重测信度、时段内幅度变化以及任务顺序效应。参与者在约2小时内完成了五次认知评估，每次包括一个视觉oddball任务和一个双臂赌博机任务，每次评估内任务顺序被独立随机化。研究人员对所有五次评估的差异波和条件波进行了信度评估，同时也评估了成分幅度在评估间的变化以及任务顺序效应。基于先前发现，研究人员假设P300信度为良好至优秀，奖励正波差异波信度为差至中等，而其潜在条件波的信度则显著更高。基于持续认知投入期间P300衰减以及结果越来越可预测时奖励正波减少的证据，研究人员预计两个成分都会随重复评估而减小。此外，在分布式重复测试期间这些变化的时间形式尚未确定；因此，使用线性模型作为系统性变化的简约检验，而非暗示衰减应严格遵循线性轨迹。最后，由于没有先前工作直接涉及这些任务的顺序施用是否会系统地偏倚ERP幅度，研究人员对顺序效应的检验是探索性的，并且没有做出方向性预测。

研究方法概述

本研究招募了来自加拿大维多利亚大学的34名参与者，最终有效样本为26人（15名女性，10名男性，1名非二元性别；平均年龄25.3岁）。所有参与者均获得金钱补偿并提供知情同意。纳入标准要求视力正常或矫正至正常。研究程序为：参与者在佩戴EEG帽后，在大约2小时内完成五次认知评估（cognitive assessments, CAs），CA1作为基线，随后在基线后15分钟（CA2）、30分钟（CA3）、60分钟（CA4）和90分钟（CA5）进行。每次评估包含一个被动视觉oddball任务（用于诱发P300）和一个双臂赌博机任务（用于诱发奖励正波），任务顺序在每次评估内独立随机化。数据采集使用64电极ActiCAP系统，采样率500 Hz。预处理包括坏导插值、重参考至平均乳突、滤波（0.1-30 Hz带通，60 Hz陷波）、ICA矫正眼电伪迹、分段（-200至800 ms）和基线校正。P300在Pz电极点量化，定义为oddball与频繁波形的差值；奖励正波在FC2电极点量化，定义为赢与输波形的差值。幅度采用平均峰值法量化。统计分析使用R语言，信度评估采用双向随机效应、绝对一致性、多次测量模型的组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC），幅度变化采用线性混合效应模型，顺序效应同样采用混合效应模型进行分析。

研究结果

3.1 重测信度

P300的重测信度优秀，ICC = 0.91，其条件波oddball（ICC = 0.91）和frequent（ICC = 0.93）也表现优秀。奖励正波差异波的信度为中等，ICC = 0.52，而其条件波赢（ICC = 0.92）和输（ICC = 0.92）的信度则为优秀。

3.2 幅度变化与顺序效应

线性混合效应模型结果显示，奖励正波幅度未发现评估次数的线性效应，χ2(1) = 3.69, p = 0.055，斜率为每评估-0.32 ± 0.17 μV。计划比较显示CA1与CA2无差异，但CA1与CA5有差异。P300幅度受评估次数影响，χ2(1) = 18.50, p < 0.001，呈正向斜率，每评估增加0.65 ± 0.15 μV。计划比较显示CA1与CA2无差异，但CA1与CA5有差异。任务顺序方面，未发现任务顺序对奖励正波或P300幅度的总体效应，加入顺序与评估次数的交互作用也未改善模型拟合。

讨论与结论总结

讨论部分指出，本研究考察了P300和奖励正波在一次时段内重复测量时的三个变异性来源。P300信度优秀，而奖励正波差异波信度中等但其条件波信度优秀。P300幅度随评估线性增加，这与疲劳范式中的衰减相反，可能归因于重复暴露提高了刺激评估效率或分布式方案中的休息间隔。奖励正波幅度未显示线性变化，但CA1与CA5的差异可能源于对奖励偶然性的熟悉度增加。未检测到顺序效应，表明在该方案下顺序施用这两个任务不会引入系统性偏差。研究局限性包括样本量较小、单一时段设计、评估间隔不等以及未直接测量主观疲劳。研究结论为：P300信度优秀，奖励正波差异波信度中等但条件波信度优秀；P300幅度在时段内系统性增加，而奖励正波幅度无线性变化；未观察到任务顺序效应。这些发现支持在报告奖励正波差异分的同时报告条件波，并强调了在时段内重复测量oddball P300时考虑时间相关幅度变化的重要性。