儿童孤独症面孔结构编码的神经机制

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  摘要:目的:探讨高功能孤独症儿童的面孔识别机制。方法:采用中国人情绪面孔图片系统,选择中性面孔作为刺激材料,以儿童喜欢的物件图片作为靶刺激,采用64导事件相关电位仪,分别记录12名高功能孤独症儿童与12名普通儿童的脑电,比较两类儿童在不同刺激下儿童期延迟的N170(Precursor N170,PrN170)成分。使用SPSS13.0进行数据处理分析。结果:高功能孤独症儿童组按键任务反应时较普通儿童组长(1091.86±628.06ms:674.78±85.09ms, t=2.29, P=0.03),正确率无差别(91.69±8.15%:95.41±5.88%,t=-1.217, P=0.23);两组儿童在面孔刺激呈现后约220ms颞枕叶导联发现PrN170,两组间对于不同类型的图片刺激,PrN170波幅与潜伏期均未见差异(F=0.67,P=0.41; F=0.04, P=0.84)。结论:孤独症儿童的面孔结构编码过程无显著异常。
  关键词:孤独症;事件相关电位;面孔识别;N170
  孤独症是以社交障碍、语言障碍以及异常行为为特征的发育性障碍,其中社交障碍被认为是其核心障碍。近些年的研究提示面孔认知的异常可能是导致孤独症社交功能缺陷的重要原因之一[1]。
  正常人群的事件相关电位(event-related potential,简称ERP)研究发现,成人在枕颞部约170ms处,存在一负性成分N170,与面孔特征的结构分析有关,反应了面孔识别的特异性[2][3]。儿童的面孔识别研究也发现在面孔刺激呈现后290ms,存在延迟的N170,被认为是成人N170的前体,称为PrN170(precursor N170)[4]。
  孤独症人群行为学的研究显示,孤独症儿童在面孔加工的任务表现上与普通儿童显著不同[5][6][7][8]。但行为学的研究难以分析面孔识别缺陷的神经机制,因此,近年来,关于孤独症儿童面孔识别的研究逐渐从行为学研究转向ERP以及功能性核磁共振等功能性成像的研究上。然而,目前关于孤独症患者面孔识别的ERP研究结果并不一致。McPartland等人报道孤独症患者面孔刺激的N170潜伏期延长[9],Webb等人也发现孤独症儿童的PrN170的潜伏期较普通儿童长[10],Churches 等人的研究显示N170的平均波幅更小[11]。然而,Wong等人研究显示孤独症患者的N170并无异常[12]。
  国内尚无使用ERP研究孤独症儿童面孔认知的报道。本文通过使用ERP记录孤独症儿童与普通儿童认知面孔以及物件过程的脑电波,探讨孤独症儿童与普通儿童面孔认知的差异。
  对象与方法
  一、对象
  1.实验组纳入标准:随机选择符合DSM-IV中孤独症诊断标准的男性儿童12名,平均年龄为81.50±12.20个月,视力正常,使用韦氏智力测试,平均智力为96.32±18.22分,语言智商为93.42±16.78,无精神分裂症,强迫症、儿童期瓦解性精神障碍、癫痫等其他疾病。
  2.对照组纳入标准:从主流学校中随机选取22名男性儿童作为对照组,年龄为73.50±6.35个月,使用韦氏智力测试,智力为98.20±11.52分,言语智商96.43±14.32,视力正常,排除孤独症谱系障碍、精神分裂症、强迫症、癫痫、精神发育迟滞等精神发育性疾病。
  实验组2人以及对照组1人不能顺利完成实验或脑电数据不能达到要求,剔除其数据。因此,有效被试实验组为18人,对照组为21人。在年龄、性别、总智商及言语智商组成上,两组均无差异(P>0.05)。测试经过被试监护人知情同意。
  二、方法
  1.实验材料:从中国人情绪面孔图片系统中随机选择64张中性面孔图片作为面孔刺激材料,面部无明显标志(如胡须、眼镜、项链等),均为与儿童无任何关系的人。从因特网上下载物件照片(食物、玩具等常见物件)。其中以儿童喜欢的物件为靶刺激,靶刺激不进行叠加分析。两类刺激照片均经过Photoshop软件处理后,达到大小、亮度、对比等物理性质一致的灰阶照片,并确保处理不影响辨认,清晰度较好。使用EPRIME软件编辑刺激程序,刺激程序包括测验程序及实验程序。
  2.实验步骤:实验过程中被试坐在隔音、亮度适中、隔离的实验室中。刺激材料以21英寸显示器呈现,视角约为10°。被试距离显示器约1.2m,图片大小为400 mm×500mm,在显示器中央呈现。测验程序为随机呈现面孔、物件、靶刺激照片各10张,背景色为黑色,刺激间隔为2000ms与3000ms随机,呈现时间为1000ms与1500ms随机,照片呈现前在显示器中央出现白色的“+”,以提醒注意。被试的任务是当屏幕中呈现靶刺激照片时,按反应盒的“1”键,呈现其他照片时不反应,每次按键反应显示正确与否的反馈。如果儿童在测试程序中,任务正确率在80%以上,进入实验阶段。实验程序将面孔、物件照片各54张以及39张靶刺激照片平均分入3个刺激序列,每个刺激序列中各类照片随机呈现,按键反应无反馈,背景色为黑色,刺激间隔为2000ms与3000ms随机,呈现时间为1000ms与1500ms随机,照片呈现前在显示器中央出现白色的“+”,呈现时间为500ms,以提醒注意,间隔500ms后呈现照片。
  3. 脑电记录:实验前诱导儿童适应实验室的环境,每天半个小时,持续3天训练儿童安坐于显示器前,播放儿童喜欢的动画片或广告分散儿童注意力,引导儿童戴上电极帽以及注入导电膏,训练儿童完成按键反应。在实验过程中,记录64导脑电。参考电极置于双侧乳突连线,前额发际下1 cm接地,同时记录水平眼电和垂直眼电。滤波带通为0.10~40 Hz,采样频率为500 Hz/导,头皮电阻小于5 kΩ。分析时程为刺激呈现后的1000ms,基线为刺激前200 ms,自动校正眨眼等伪迹,波幅大于±80μV者视为伪迹在叠加中被自动剔除。实验过程中两名实验员分别坐于儿童身后及操控实验电脑,当发现被试出现多动、注意力不集中、不能按照任务要求按键等干扰脑电纪录的行为时,暂停实验,并调节儿童情绪后,继续实验,以保障实验数据的可靠性。在每个刺激序列间休息,奖励儿童。随时标记儿童干扰行为,将标记前后一个刺激的脑电波剔除。   4. 脑电数据处理:根据被试的按键反应,计算儿童的按键反应正确率与反应时。分别将被试在面孔以及物件照片的脑电图进行分类叠加,可得到两类图片产生的ERP。分析部位为枕颞导联。
  5. 统计学处理:使用SPSS13.0统计软件包,使用t检验分析两组儿童按键反应的正确率以及反应时。对成分的波幅以及潜伏期的分析使用两重复测量因素的方差分析,组别(孤独症儿童与普通儿童2水平)、刺激类别(面孔以及物件2水平),记录部位(P3、P4、P7、P8共4水平)。
  二、结果
  一、行为学数据
  二、ERP数据
  纵观总平均图,在枕颞导联(P3、P4、P7、P8、O1、O2),面孔刺激后在约220ms处发现一负走向成分,其中以P3、P4、P7、P8最为明显,与Webb等[8]人所报道的PrN170位置类似(见图1),潜伏期(F=0.67,P=0.41)以及波幅(F=0.04,P=0.84)的组别主效应均没有统计学意义;刺激类型以及位置的主效应明显(刺激类型主效应分析F=23.51,P<0.01;位置主效应分析F=7.94,P<0.01)。物件刺激引起的PrN170与面孔刺激相比,波幅更正,潜伏期更长。以P7导联为例,面孔刺激诱发的PrN170,孤独症组的平均潜伏期为218.85ms,平均波幅为-2.90μV ,普通儿童组的平均潜伏期为226.85ms,平均波幅为-5.86μV,两组间无显著差异(P>0.05);物件刺激诱发的PrN170,孤独症组平均潜伏期为277.71ms,平均波幅为4.18μV,普通儿童组平均潜伏期为241.00ms,平均波幅为3.27μV,两组间无显著差异(P>0.05)。
  三、讨论
  人对于视觉信息的处理在神经机制上,主要通过两条神经通道,一是“WHERE通道”,即枕顶通道,主要与物体的空间位置和空间运动有关;一是“WHAT通道”,即枕颞通道,主要与物件识别和面孔加工有关。来自视网膜的神经纤维终止于初级视皮质(纹状皮质,17区),然后与18区和19区的更高级视觉皮质联系,视觉皮质与后顶叶皮质联系形成“WHERE通道”;视觉皮质与梭状回、颞下回联系形成“WHAT通道”。在颞下回里,有专门对面孔分析(如性别、年龄、种族等)的细胞。因此,本研究选择了枕颞区的导联进行分析。
  在认知机制上,Bruce-Young的面孔加工认知模型被广泛认可。该模型认为面孔加工分两个阶段进行,第一阶段为面孔结构编码阶段;第二阶段为两条独立的通道:一条通道是有关视觉处理的,包括表情分析、面孔语言分析和直接视觉处理三个平行的处理单元;一条通道是有关面孔识别的,包含面孔识别单元、个体特征单元和名字产生单元三个串行的处理过程。但也有学者提出,直接视觉处理、表情分析等不是在结构编码输出之后再进行,而是更早或与之平行的[14]。
  N170被认为是面孔结构编码阶段的特异性成分,主要反映对面孔内部特征结构的加工。其中儿童期的N170潜伏期会延长,称为PrN170,是儿童期面孔加工的特异性成分。本实验在面孔的刺激下约在215ms于枕颞叶道路记录到的波幅于基线附件、走向负向的成分,与Webb[8]等人报道类似,可认为是PrN170。虽然较前的部分文献显示,孤独症儿童的面孔加工N170出现异常,潜伏期延迟或平均波幅减小[9-11]。然而Batty等[13]的研究同时比较年龄匹配与言语智商时组别间N170的差别,结果发现年龄匹配的孤独症儿童较普通儿童的N170潜伏期更长,而语言智商匹配情况下,N170未发现明显差异,提示面孔结构编码可能与语言的发展呈现相关性。
  本研究比较7-9岁孤独症儿童与普通儿童对中性面孔的加工特征,结果显示孤独症儿童对靶刺激的反应时延长,提示孤独症儿童对于喜爱物件的加工过程较长,较为精细。孤独症儿童的PrN170与普通儿童相比,无显著差异性,提示孤独症儿童对于面孔的结构编码可能并无异常,结果与Batty等[13]的研究一致。儿童在1岁左右起,会不同通过关注他人的面孔,特别是嘴巴,来模仿他人发音。孤独症儿童语言发育迟缓与早期对面孔的关注度不够有关。本研究中,孤独症被试语言能力发展与普通儿童匹配,可能提示儿童在发展过程建立了类似普通儿童的面孔识别加工过程,表现出一致的PrN170。
  在未来的工作中,需要进一步深入探讨言语发育迟缓的儿童是否存在PrN170的异常。同时本研究没有进行源定位分析,成分是否存在空间分布差异尚不能确定。而关于孤独症面孔识别的后期加工,比如表情分析等是否出现异常也是未来需要关注的。
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