脑科学情绪反应实验报告

正负情绪应激对大脑前额叶血氧含量的影晌XXX，XXX，XX，XXX（XX大学，南京江苏210089）摘要： 目的 研究中前额叶在情绪刺激时大脑前额叶不同区域出现不同程度的激活程度。 方法 通过让被试观看正性（欢乐）、负性（事故现场）和中性（家具）图片，与此同时用fNIRS实验设备记 录前额叶大脑活动情况，得到的数据用计数统计的方法进行数学处理。 结果 正面情绪与负面情绪 在大脑前额叶不同区域激活程度不同。 结论 相比于负情绪，正情绪可以增加大脑前额叶总体活动， 且正情绪主要激发大脑前额叶左侧。关键字：脑科学；大脑前额叶；fNIRS；情绪 abstract Objective： Measureing different activated state in prefrontal areawhile the subjects were exposed to emotional stress task. Methods： Subjectswereexposedtopositive affectivepictures，whichwerelaughable，negative affectivepictures ，whichweretaken from the accident scene， and neutral affective pictures such as furnitures while the changes of activated state in prefrontal ares was measured by fNIRS.Then the data was processed by the method ofcounting statistics.Results： Negative emotional stress and positive emotional stress had different activated state in different regions of prefrontal contex.Conclusion： The results suggest that positive emotional stress induced enhancement of activation in prefrontal area，and it mostly activated the left prefrontal area.key words Brain science； Prefrontal cortex； fNIRS； Emotional stress1引言1.1研究背景近年来，作为医学图像技术的新兴力量的近 红外光谱术（Near-infrared Spectroscopy,NIRS），正 在逐渐应用于生物医学的领域，现在已经成为研 究的热点。NIRS成像方法的基本原理是利用近红 外光在组织中多重散射的特性，并满足扩散方程 式（diffusion equation）。此方法是非入侵式的，并 且时间分辨率很高，所以在脑功能成像、生物体 组织分析、化学组分分析和乳腺肿瘤检测等许多 方面的应用发展相当迅速。在日常生活中个经常处于应激状态之下，对 应激反应的研究己经成为心理学、医学领域的重 要课题，已有的研究表明，应激状态下个体下丘 脑一垂体一肾上腺皮质轴激活，交感神经系统兴 奋，外周糖皮质激素和儿茶酚胺水平增加。研究 报道前额叶皮层 参与调控交感神经系统反应， 且前额叶部位具有大量糖皮质激素受体，说明大 脑前额叶皮层与应激反应关系密切。但是目前对 左右前额叶与应激反应的关系结论尚不明确，有 研究认为右侧前额叶参与应激反应，亦有研究认 为前额叶在参与应激反应时不存在侧化现象。应激可以分为心理应激和情绪应激两种模式， 心理应激主要涉及认知负荷，而情绪应激与负性 情绪反应密切相关，没有较多认知成分的参与。 在以前的研究中，我们己经发现 采用负性情绪 图片刺激可以诱发被试明显负性情绪反应，心率 和血压上升、唾液皮质 醇增 加，表明负性情 绪图片刺激可激活HPA轴和交感神经系统，可做 为情绪应激材料。本研究采 用16通道NIRS系 统，检测被试在情绪应激期间其前额叶脑区血红 蛋白水平变化,并进一步探讨情绪应激对左右大 脑前额叶的影响。1.2以往的研究经验大量的文献已经证实，正性情绪激发大脑前 额叶左侧，负性情绪激发大脑前额叶右侧。但随 着研究的深入进展，近期有文献表明具体的激发 区域还与个人习惯以及左右利手等复杂因素有 关。所以目前对前额叶的具体部位与应激反应的 关系尚无结论。我们小组查阅资料后发现，在以 往研究中，情感应急材料以负性图片为主，少 有正性材料，因此想通过近红外脑成像技术研究 由负（正）性图片所激发的负（正）性情绪反应 对大脑前额叶的影响有何位置和激发程度上的 区别。2研究内容2.1 实验目的 大脑前额叶在注意、知觉、能动性、计划性、 持续行为、工作记忆、语言、控制干扰以及执行 功能等等均发挥重要作用。特别的：PFC是情绪 中枢通路的重要环节之一，它的各部分在情绪加 工中分别发挥着不同的作用。而左右前额叶在情 绪刺激实验中的激活差异在本文中是研究的着 重点。在左右脑半球与情绪加工时的关系这个问 题上，研究者们一般认为左半球处理积极情绪， 而右半球处理消极情绪，但是目前对这个问题进 行研究的成果中，仍存在着许多的争议。比较著 名的是得到很多证据支持的效价假说（valence 一hypo thesis）该假说认为：人类大脑左半球支 配积极情感而右半球支配消极情感。在不同情绪 与左右大脑半球之间关系的研究中，Ahem在采用 了 EEG 的方法他的研究发现，积极情绪和消极情 绪在大脑的前额叶区具有不同的单侧化效应，而 且相对于消极情绪，积极情绪在左半球有更高的 激活。而 Davidson 也在研究中发现，具有左侧 半球激活的个体在情绪上往往使用更积极的方 式，而那些右半球激活升高的个体则倾向于用消 极的反应方式。Davidson另有研究发现，具有更 多左侧前额叶激活的个体相对于那些右侧激活 更多的个体，可以更加迅速地从消极情绪或者沮 丧情绪中恢复正常。尽管如此，也有一些研究使 得在情绪的大脑左右半球差异上也存在着不一 致的声音Tuckerl23等的研究得出了相反的结 论（左半球处理消极情绪，右半球处理积极情绪）。 对于这种相反的结论，许多学者认为这可能是与 左右利手相关。而最新应用PET和m叫的研究也 表明了大脑各个不同区域之间存在着相当复杂 10 的关系，在情绪的加工过程中各个区域都有加， 所以在情绪发生过程中大脑的许多部位被激活， 而且本研究中前额叶在情绪刺激时不同区域也 会出现不同程度的激活。这些都需要用进一步的 研究来证明。2.2 实验范式 实验范式参考自硕士学位论文近红外脑功 能成像的血氧信号分析，作者为：陆琳 东南大 学生物科学与医学工程专业。 该论文的实验步骤如下：通过分发回收SDS量表计分筛选出属于抑郁 情绪者的大学四年级23名被试 者配合参加了本实验，让其观看由 presentation 程序按一定时间规律显示在电脑屏幕上的 120个 不同情绪色彩的词汇（其中正性词40个，中性词40个，负性词40个，非词40个），同时NIRS仪 器实时显示脑前额叶血氧、含氧、去氧血红蛋白 浓度变化波形，并将此波形对应的数据记录于 EXCEL 中。不同情绪词汇的刺激由 Presentation 软件 控制。在正式实验中，实验内容包个block，其 中每个block包括1个基线任务和一组40个情 绪词汇任务。实验开始时，在屏幕上显示基线（以 XXX表示），呈现时间为37500ms：然后显示情绪 词汇之前的提示词，呈现时间为900ms，之后出 现 40 个同一组的情绪词汇，每个词汇呈现时间 为500ms，词汇之间的间隔为1000ms，至此为一 个block，记blockl。将情绪词汇换为其他种类 分别有block2， block3和block4。由此可以。 自己安排不同情绪词汇的顺序调用分为4组程序 正中非负，正非中负，中非正，负非中正性情绪 词汇实验。整个程序由 Presentation 软件编程 控制。SDS量表积分筛选出的23位抑郁情绪者大 学生被试所参加的实验中，我们获取了正中非负 正非中负，负中非正，负非中正性词汇的各4组 有效数据，用于下的数据分析和处理。实验中被 试不要求进行按键和判断反应，只需要观看整个 幕显示过程。2.3 实验操作1. 实验对象两名健康大学生与 2014 年10月参加实验， 年龄均为 20 岁，两人均为男性。被试均为本组 成员，视力正常，无神经或精神疾病。2. 实验图片选择在实验中，实验图片分为三类，中性图片（家 具物品等），负性图片（事故场景及肢体损伤等） 以及正性图片（内容搞笑的图片）。每类图片以 20 张为一组，每类三组。我们在选取图片时采用以下原则：1. 尽可能使图片的类别保持统一。2. 中性图片为不含有任何情绪色彩的图片。3. 负性图片为主要让人产生紧张情绪的图片，剔 除能产生其他负面情绪如，恶心等不良情绪的图 片。4. 正性图片尽量选取生活中的令人发笑的图片。 以下为实验图片样例：图 2.3.1. 中性图片图 2.3.2 负性图片对应通道位置的头发拨开以减小红外光的反射 和干扰，使仪器测试更加敏感。检测通道是否连通，在软件上观察各个发射 端与接收端导通情况。调整发收之间的导通值，使之导通间的灵敏度接近相等。对不连同的通道重新安装，再次测试。图 2.3.3. 正性图片图 2.3.4 仪器佩戴图片3. 实验仪器及通道选择采用 28 导 NIRS 系统测定被试观看正性、中 性和负性图片期间前额叶区域血氧含量变化情 况。该系统包括光信号发生器和探测器，所有传 感器均固定于一个软性橡胶垫上，并用一弹性绷 带固定于被试前额上。3*4 个通道分布于大脑前 额中叶，2*4 个通道分布于右前额区域，2*4 个 通道分布于左前额区域。各探测器接受到的光强 变化通过 NIRS 系统软件转换为血红蛋白相对浓 度变化。图 2.3.5 通道 NIRS 系统探头前额叶定位图4. 实验装置佩戴、调整将实验装置固定于被试的头上，按照通道图 所示，将电极插到头套对应位置。插的过程中将5. 图片播放采用组块设计方法，实验过程中 30 秒静息 时期和 100 秒任务时期交替出现。总计9 组任务 时期。任务期间，每一张图片呈现5 秒，每一次实 验条件为 100 秒,静息时期为被视者观看“+”30 秒。以静息时期作为开始点和结束点，以便消除 实验误差。为了避免前一组图片实验对被试产生的情 绪影响残留，所以我们用静息时期作为一组实验 的开始点和结束点，30 秒的静息时期足够被试前 额叶血氧浓度降低到正常状态。因此可以保证实 验中被试的大脑前额的血氧浓度变化仅仅是当 前实验组图片所引起的。这样设计实验流程可以 最大限度的提高实验的精准度。图 2.3.6 实验任务态与静息态过程图在该实验中，中性图片起到对照与参考的作 用，主要对对正性减中性，负性减中性的实验数 据进行分析。实验中要求被试认真看图片，不进行任何小 动作。看图片时，保持周围环境昏暗，可以让被 试集中更多的注意力，同时有利于被试感受图片 中强烈的情绪色彩。图 2.3.7 实验所得波形图用得到的实验数据分别计算负性减中性，正 性减中性，正性减负性。得到的结果，以图像的图 2.3.7 映射到大脑区域的图像方式映射到对应人脑区域上，得到类似如下图片。6. 测定各通道血氧含量通过仪器测得血氧含量，记录实验数据。截取不 同类型图片任务态的平均数据。做出以时间为自 变量的平均波形图。7. 实验数据处理由于实验样本数量少，导致最终数据扰动很 大，故对图像采用分块计数统计的方法，近似统 计红色以及蓝色区域出现的面积大小和次数。将上面每张图片分为六个区域进行统计，计 算红色区域的相对强度，并制成列表进行比对。理想结果中正性图片大脑前额叶左侧激发强烈。图 6.图片分区示意图计数的原则如下，以出现蓝色区域为例，出 现的蓝色区域达到最大时，统计其所占的区域个 数，并进行累加，得到最终统计数据。计数时以帧为单位进行观看，实际计数中由 于其达到最大面积需要一定的时间，故可以以多 帧的方式查看激活区域。2.负性减中性理想结果中负性图片对大脑前额叶左侧激发，但对前额叶总体激发没有负性强烈。其中红色区域代表被减量的含氧血红蛋白含量多于减 去量的含氧血红蛋白数量含量，蓝色的则反之。最后， 生成大脑前额叶不同区域激活程度的动态图像。3. 实验结果3.1 实验理想结果实验的静态图理想结果应如下图1. 正性减中性表1红色区域相对强度统计位置左中右正性减中性56446负性减中性261323.正性减负性根据以上数据可以看出，正性减去中性的出 现红色的次数多于负性减中性出现的红色次数， 可以证明正性情绪对大脑前额叶激发程度大。且 总体来看，前额叶左侧区域被激发的次数最多， 前额叶右侧被激发的次数最少。但是，从统计结 果中不能的出负性可以激发大脑前额叶右侧。对正性减负性所得的大脑前额叶左侧进行 统计分析，得到红色的次数为 61 左右，出现蓝 色的次数 26 左右。可以更加肯定地证实，相比 于负性情绪，正性情绪大大激发大脑前额叶左侧4. 讨论4.1 实验结果的特点在所有数据中，可以看出。无论播放的为正 性图片还是负性图片。在对正性减中性与负性减 中性的统计中，前额叶右侧出现红色的区域都没 有达到两位数，而出现蓝色的区域计数都达到了 60 多。若排除个体差异的原因，该现象说明无论 播放正性还是负性的图片，对大脑前额叶的右侧 4.选择干扰小的实验装置。理想结果中正性减去负性在大脑前额叶左侧被 大大激发。真实所得到的动态结果与理想结果大不相同，没 有某个特定的位置总被激发，难以找到规律，于 是对数据进行处理，以统计的方法找出结论。3.2 计数统计结果 在与中性图片相比较过程中，由于蓝色区域 出现的次数在左侧与中间大都为 30 次，在右侧 出现的次数大都为 60 次，作比较的意义不大。 遂再不对其进行详尽的计数统计。激发都不明显。于此对应的是，中性图片反而可 以更好的激发右侧，其具体原因尚不清楚，需要 进一步研究和实验。4.2 实验中的不理想数据 该实验的所有实验数据来自于第二次实验。第一次实验由于数据不理想而被踢出。不理想的 原因可能有以下几点：1. 实验时间为下午，被试的精神不集中。2. 实验设备固定不牢固,抖动大。可能发生轻微 位移，测到了不同位置的实验数据。3. 播放的图片太多，时间太长，被试产生厌倦心 理。总体的实验数据也不是特别理想，原因可能 有以下几点：1. 实验人数少，个体对正负情绪应激不能当做普 遍情况。2. 实验图片分级不够科学。4.3 实验改进办法 针对以上实验数据不理想的原因，可以进行如下 的改进。1.增加被试人数。2. 增加选择图片时的科学性。3. 减少放映图片的数量。5. 参考文献1 陆琳.近红外脑成像的血氧信号分析2 杨宏宇，周振宇等.近红外脑成像技术研究情绪应激对大脑前额叶血液动力学反应的影响。3 李晓川，孔轶群，冷凯良，等视觉非随意注意的近红外脑功能成像技术与事件相关脑电位检测技术研究J光学学 报.2007.27（3）.