中央任务下外周侧翼刺激效应（Peripheral Flanker Effects）的刺激类型依赖性：一项脑电图（EEG）研究

《Brain Sciences》：Stimulus Dependence of Peripheral Flanker Effects During a Central Task: An EEG Study

　　

摘要专业翻译 背景/目的： 周围刺激会影响目标的视觉加工；然而，当外周目标无需主动辨别时，该效应是否随刺激类型的不同而变化，目前尚不清楚。方法： 研究人员记录了20名参与者在中央颜色判断任务中的脑电图（EEG）活动，同时呈现与任务无关的外周Gabor光栅（Gabor patterns）、竖直条纹（vertical stripes）、字母（letters）和数字（numbers）。在侧翼条件（flanked condition）下，侧翼刺激（flankers）在目标出现前1000 ms呈现，构成既有的视觉背景；在无侧翼条件（unflanked condition）下，目标出现前仅呈现注视点。研究人员比较了两种条件下的事件相关电位（ERP）和β频段功率（beta power）。结果： 时空聚类置换检验（spatiotemporal cluster permutation test）揭示了刺激类型与侧翼条件在ERP结果中存在显著交互作用，聚类时间范围为目标出现后146–252 ms。进一步比较显示，Gabor光栅与竖直条纹之间的ERP幅值侧翼效应存在显著差异。在每种刺激条件内部，ERP变化出现在不同的时间范围和头皮位置。在Gabor光栅、竖直条纹和数字条件下，侧翼条件下的β功率低于无侧翼条件，但β功率未检测到显著交互作用。中央颜色判断的反应时在侧翼条件下更快，而准确率在两种条件间无显著差异。结论： 这些发现表明，即使外周目标无需主动辨别，既有的侧翼背景仍可影响目标出现后的EEG反应。ERP结果支持侧翼效应在不同刺激类型间存在差异，而β功率分析为刺激条件内部的变化提供了补充证据。

论文解读

一、研究背景与问题提出

自然视觉环境中，目标极少孤立出现，周围刺激的存在及其空间排列会影响目标的视觉加工。以往研究已表明，Gabor光栅目标与其侧翼刺激之间的距离会影响目标检测表现；中央刺激与周围刺激之间的特征和空间关系可改变目标的表观对比度；周围刺激的整体排列和分组方式也会影响目标辨别表现。视觉拥挤（visual crowding）相关综述亦描述了周围刺激如何限制外周目标的识别。在电生理层面，周围光栅可降低中央光栅诱发的稳态视觉诱发电位（steady-state visual evoked potentials, SSVEP）幅值；当周围光栅与中央光栅平行时，晚期N1成分受到的抑制比垂直时更强。这些发现表明，目标出现后的视觉反应不仅取决于目标本身，还受周围刺激及其空间排列的影响。

除空间排列外，刺激类型也可能影响侧翼效应。Grainger等人比较了字母与符号，发现符号受到的侧翼干扰更大；在字符串识别中，字母、数字和其他符号之间的位置效应存在差异，且具体模式取决于实验条件。在外周视觉中，刺激类型对识别表现的影响随目标位置和左右视野的不同而变化。此外，神经反应还取决于参与者正在执行的任务。Volberg和Greenlee报告了轮廓检测任务中轮廓与非轮廓刺激的神经反应差异，而同样的差异在中央任务中未被观察到；增加中央任务负荷可降低对无关刺激的早期C1反应。这些结果表明，即使刺激保持不变，其加工也可能受到当前任务的影响。在ERP之外，特定频段的功率也可用于考察视觉加工，已有研究显示视觉拥挤任务中N1反应的降低伴随β功率的下降，β功率变化与目标辨别表现相关。

然而，在相同的中央任务需求下，ERP幅值的侧翼效应是否随外周刺激类型的不同而变化，仍有待检验。本研究正是基于这一空白，使用Gabor光栅、竖直条纹、字母和数字四类外周刺激，比较侧翼与无侧翼条件下的EEG活动。参与者仅需判断中央注视点的颜色，无需报告外周目标的朝向或身份。在侧翼条件下，侧翼刺激先于目标出现，使目标呈现在既有视觉背景中。研究人员预期，即使外周目标无需主动辨别，侧翼刺激仍会影响目标出现后的ERP幅值，且这些变化可能因刺激条件而异。

二、研究设计与技术方法

研究共招募21名参与者，因1名参与者的EEG记录噪声过大被排除，最终样本为20人，平均年龄21.35岁（SD = 0.75），含2名女性和18名男性。所有参与者视力正常或矫正至正常，无神经系统疾病史。研究获得冈山大学津岛伦理委员会批准（协议编号Tsushima 24-009）。

实验采用被试内设计，包含四种刺激类型（Gabor光栅、竖直条纹、字母、数字）和两种侧翼条件（无侧翼、侧翼）。外周刺激同时呈现在中央注视点左右两侧，目标中心位于左右视野9°偏心率处。侧翼条件下，每个目标周围放置侧翼刺激，目标中心与每个侧翼中心之间的距离为4.5°。Gabor光栅、字母和数字各使用四个侧翼（上、下、左、右），竖直条纹使用两个侧翼（上、下）。刺激呈现使用MATLAB R2018a和Psychtoolbox-3，显示器为Cambridge Research Systems Display++，屏幕分辨率1920 × 1080像素，参与者距屏幕70 cm，背景为中性灰色。

中央颜色判断任务要求参与者保持注视屏幕中央，外周刺激与任务无关。每次试验以黑色注视点呈现500 ms开始，随后是1000 ms的预览期。侧翼条件下，侧翼刺激与注视点同时呈现；无侧翼条件下，预览期仅呈现注视点。预览期后，外周目标呈现150 ms，同时注视点由黑色变为红色或绿色。目标与侧翼同时消失后，注视点变为蓝色，提示反应期开始，参与者需在1500 ms内按键报告注视点先前颜色。每种刺激类型单独成块，共4个实验块，块顺序采用循环拉丁方在参与者间平衡。每种刺激类型在两种条件下各60次试验，每位参与者共480次试验。

EEG记录使用主动Ag/AgCl电极，按标准10-10系统放置，包含29个头皮通道、1个水平眼电图通道和1个垂直眼电图通道。以左耳垂为在线参考，AFz为接地电极，采样率500 Hz。预处理使用EEGLAB 2025.0.0，包括0.1–80 Hz带通滤波、49–51 Hz陷波滤波、平均参考转换、扩展Infomax独立成分分析（ICA）去除眼动等伪迹成分。ERP分析数据进一步经30 Hz低通滤波，按目标出现前后?200至500 ms分段，幅值超过±100 μV的试验被剔除，使用?200至0 ms区间进行基线校正。时间-频率分解使用复Morlet小波，频率范围8–30 Hz，功率以初始注视期（?1500至?1250 ms）为基线进行归一化并转换为分贝。β功率分析限定在13–30 Hz、目标出现后0–500 ms。统计分析使用R 4.2.3和MATLAB R2024b，ERP和β功率数据采用时空聚类置换检验，行为数据采用重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA）。

三、研究结果

3.1 行为结果。 准确率的4（刺激类型）× 2（侧翼条件）重复测量方差分析未发现刺激类型主效应、侧翼条件主效应或交互作用显著。反应时分析显示侧翼条件主效应显著（F(1, 19) = 21.59, p < 0.001, η_p² = 0.532），侧翼条件下的反应显著快于无侧翼条件；刺激类型主效应和交互作用均不显著。

3.2 目标出现后的ERP结果。 时空聚类置换检验揭示了刺激类型与侧翼条件之间的显著交互作用，聚类时间范围为146–252 ms（聚类统计量ΣF = 2422.53, p_cluster = 0.0002），涉及22个电极。聚类内各刺激类型的平均侧翼减无侧翼差异分别为：Gabor光栅?0.031 μV、竖直条纹?0.216 μV、字母?0.108 μV、数字?0.125 μV。经Holm校正的六组成对比较中，仅Gabor光栅与竖直条纹之间的差异显著（平均差异0.185 μV, 95% CI [0.069, 0.302], t(19) = 3.34, 校正p = 0.021, d_z = 0.75）。

各刺激类型内部的侧翼效应分析发现：Gabor光栅存在一个显著正聚类，时间范围为288–458 ms，平均差异0.569 ± 0.078 μV，涉及FC1、FCz、FC2、C3、Cz、C4、CP1、CP2、P3、Pz、P4、O1和Oz。竖直条纹存在两个显著聚类：正聚类时间范围为152–278 ms，平均差异0.879 ± 0.112 μV，主要涉及前部电极；负聚类时间范围为144–278 ms，平均差异?1.151 ± 0.177 μV，主要涉及顶枕部电极。字母存在一个显著正聚类，时间范围为188–500 ms，平均差异0.700 ± 0.107 μV，涉及广泛的前中后部电极。数字存在一个正聚类（190–474 ms，平均差异0.769 ± 0.094 μV）和一个负聚类（78–368 ms，平均差异?0.837 ± 0.097 μV）。

3.3 目标出现前的活动与基线检查。 未进行基线校正的较长时段ERP数据显示，侧翼出现后较大的电压变化在目标出现前逐渐趋于平稳。基线区间（?200至0 ms）内，各刺激类型的条件差异在27个电极和整个时间窗口上的平均值均未显著偏离零（Gabor光栅：t(19) = ?0.28, p = 0.782；竖直条纹：t(19) = 1.78, p = 0.091；字母：t(19) = ?0.06, p = 0.953；数字：t(19) = 2.04, p = 0.056），四种刺激类型合并后的平均差异为0.008 μV（t(19) = 1.32, p = 0.204）。探索性聚类检验在该区间内检测到六个局部显著聚类，但整体平均偏移不显著。

3.4 目标出现后的β功率结果。 在13–30 Hz、0–500 ms范围内，Gabor光栅存在一个显著负聚类（0–430 ms，涉及26个电极，p_cluster = 0.0022），竖直条纹存在一个显著负聚类（0–500 ms，涉及22个电极，p_cluster = 0.0360），数字存在一个显著负聚类（0–500 ms，涉及22个电极，p_cluster = 0.0232），字母未检测到显著聚类。刺激类型与侧翼条件的交互作用检验未发现显著聚类。

四、讨论与结论

研究人员指出，ERP分析揭示了刺激类型与侧翼条件之间的交互作用，且Gabor光栅与竖直条纹之间的侧翼效应差异显著，这表明即使参与者无需主动辨别外周目标，侧翼效应对ERP幅值的影响仍可能随视觉输入类型而变化。各刺激条件内部的ERP变化出现在不同的时间范围和头皮位置，竖直条纹条件中前部正变化与后部负变化在相似时间范围内同时出现，可能与目标与侧翼的特征关系或视觉分组有关。部分刺激条件的ERP变化延伸至较晚时间段，可能涉及目标出现后对整体视觉输入的持续加工。

β功率在Gabor光栅、竖直条纹和数字条件下均表现为侧翼条件低于无侧翼条件，而字母条件未检测到显著效应。ERP与β功率反映EEG活动的不同特征，二者变化方向不必一致；ERP分析检测到刺激类型与侧翼条件的交互作用，而β功率分析未检测到该交互作用。行为上，侧翼条件下的中央颜色判断反应时更短，研究人员认为侧翼提前1000 ms出现可能提供了事件发生时间的线索，参与者利用该时间信息进行反应准备。

研究存在若干局限性：侧翼先于目标出现导致目标出现时的视觉背景在两种条件下不同；四种刺激类型在大小、对比度、空间频率及侧翼数量和排列上未完全匹配；未使用眼动仪逐试验验证注视位置；目标同时呈现在左右视野，无法分离左右视野的贡献；样本量较小、性别分布不均、年龄范围较窄。

研究结论为：在中央颜色判断任务中，即使外周目标无需主动辨别，既有的侧翼背景仍可影响目标出现后的EEG活动。ERP结果支持侧翼效应在不同刺激类型间存在差异，主要体现在Gabor光栅与竖直条纹之间；β功率结果提供了频带活动变化的补充证据。