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PNAS:基于脑电在线神经反馈调节唤醒程度可以改善个体在高难度感觉运动任务中的表现
发布者:admin 发布时间:2019/5/13

       来自哥伦比亚大学的Josef Faller等人在PNAS上发文,其发现唤醒程度唤醒程度会影响个体的决策与判断,通过调节个体的唤醒程度唤醒程度,可以改善个体在高负载任务中的表现。本研究中,研究者基于在线神经反馈系统,采用脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)技术,将EEG信号中的信息提取出来,生成动态神经反馈信号以调节个体的唤醒程度。在这个过程中,被试需要完成边界回避任务(Boundary-AvoidanceTask, BAT),这是一种高难度的感觉运动任务,被试需在规定的红色方框范围内操纵虚拟飞机,若飞机超过边框范围则任务失败。此操作能显著提高唤醒程度并迅速导致任务失败。结果发现,当提供真实的神经反馈引发个体唤醒程度降低,被试的任务表现(任务中导航的时间与距离)显著提高。其中,心率变异性与瞳孔大小均为唤醒程度的测量指标。研究表明,研究者基于耶克斯-多德森定律、使用在线神经反馈任务设计的BCI系统,,可以改变个体的唤醒程度,进而提高个体的任务表现。 

关键字:神经反馈;耶克斯-多德森定律;人类绩效;边界回避任务;脑电

唤醒程度会影响个体在感觉运动任务中的表现,通过调节唤醒程度,可以改善个体的任务表现。飞行员诱发振荡(Pilot-Induced Oscillation,PIO)指飞机飞行过程中产生的不稳定的短周期振荡,其可能受到飞行员操纵的影响。飞行员不同状态下的操纵对PIO的影响不同。通常采用边界回避任务(Boundary-AvoidanceTask, BAT)诱发并测量PIOBAT通过不断增加飞行员的认知负荷、唤醒程度以及对任务的投入,直到认知控制失灵、导致操作失误。在BAT任务中,被试需要在规定的红色方框范围内操纵虚拟飞机,若飞机超过边框范围则任务失败。

本研究中,采用闭环神经反馈系统,关注神经反馈是否可以改善BAT中的任务表现(见图1C)。采用BCI技术对脑电信号进行解码,作为神经反馈信号。该神经反馈信号将导致唤醒程度降低,进而改变任务表现,符合耶克斯-多德森定律(见图1A与图1B)。


潜在假设。

(A)基于耶克斯-多德森定律,在PIO下降期间,降低唤醒程度可以提高行为表现;

(B)蓝斑-去甲肾上腺素(Locuscouleus-norepinephrine, LC-NE)可以调节个体从模型探索到随机探索,因此假设当唤醒程度超过某一阈限时,会引发PIO。降低唤醒程度应该会阻碍这种向随机探索的转变,从而降低PIO倾向;

(C)在难度足够大的BAT实验中,被试通常会在实验过程中失败,但通过降低唤醒来延缓PIO进程,理论上可以推迟失败时间,进而提高任务表现。

 

方法与材料

被试

选取40名精神正常的右利手成人。实验期间服用药物的个体予以排除。通过阶段1筛选,13人被排除(12人表现未达标准,1人之前参加过类似实验)。此外,7人因其他原因未能参与实验,仅2010名女性)参与主要实验。

 

实验设计

本研究为2困难程度:简单 VS.困难×3反馈条件:BCI条件 VS.安静条件 VS.伪反馈条件)被试内设计。其中,三种反馈条件的顺序随机安排,但确保六次连续飞行任务中,每种条件均要出现两次。BCI条件中给被试播放低速率的合成心跳,该音频基于BCI从脑电信号中解码出来,其音量随着被试唤醒水平的变化不断调整。安静条件指个体在完成飞行任务过程中,耳机中不输出任何声音反馈。伪反馈条件下,将BCI转换的信号与自回归(Autoregressive, AR)模拟信号进行线性组合,构成伪反馈条件下的音频材料。

 

实验流程

首先,被试需要完成阶段1实验。被试需要在40分钟内,完成至少66%的简单任务,在达到实验标准的基础上,进行阶段2实验。

其次,完成阶段2实验。被试在完成简单飞行任务的过程中记录10分钟的脑电信号,基于脑机接口技术,将该信号进行解码,以实时测量个体的唤醒程度。将解码后的信号生成BCI反馈条件下的声音刺激。

最后,顺利完成前两阶段任务的被试参与主要实验。在主要实验中,被试需要完成BAT任务,在一个下调觉醒的闭环系统中,分别接受BCI反馈条件、无声音反馈条件与伪反馈条件的刺激,测量被试在BAT中的任务表现。 

实验流程。

 (A)虚拟飞行任务。被试需要操纵虚拟飞机穿过一个红色矩形边界,分为简单任务和复杂任务两种情况。两种任务最长持续90s,随着时间推移,红色边界大小逐渐减小,难度逐渐增大。当飞机越过红色边框时,则任务结束。实验中包括三种反馈条件:

     (a)BCI, 该条件下,给被试呈现基于脑电信号解码器输出的听觉反馈信号(闭环实验);另外两种控制条件,

      (b)伪反馈条件;

      (c)安静条件,该条件下没有任何声音信号输入。实验者要求被试尽可能的降低自己的唤醒程度。

(B)在阶段1过程中,个体需要在40分钟内完成至少66%的简单任务才可以进行阶段2实验。在阶段2中,被试在进行简单任务的过程中采集10 min脑电数据,随后采用解码器进行解码,作为主实验中BCI条件下的反馈刺激。

 

结果

神经反馈对个体飞行表现的影响

基于耶克斯-多德森定律,研究者假设在困难任务中,有神经反馈可以改善个体的飞行表现。以反馈条件BCI条件 VS.安静条件 VS.伪反馈条件)与困难程度(简单 VS.困难)为自变量,以标准化的飞行时间作为因变量,进行重复测量方差分析。结果表明,在困难任务中,相较于两个控制组,基于BCI反馈的飞行时间显著增加(见图3A);此外,基于BCI反馈比无声音反馈飞行时间提高18.3%,基于BCI反馈条件比伪反馈条件飞行时间提高21%(见图3B)。而对于简单任务中,三个反馈组之间飞行时间差异不显著(见图3C3D)。对于BCI反馈条件而言,困难任务与简单任务的结果存在差异,是因为两种任务下觉醒基线水平不同。相较于简单任务,困难任务唤醒程度更高,通过BCI调节后任务表现改善更大。研究表明,神经反馈可以改善困难任务中个体的飞行表现。

 在困难任务中,有神经反馈的飞行任务表现得到了改善,而简单任务中则没有该现象。

    (A)在困难任务中,在两种控制条件下飞行时间显著增加;

    (B)在困难任务中,相较于两个控制组,有神经反馈的被试,其飞行表现显著改善。

    (C)在简单任务中,接受训练与筛选的被试,未表现出强烈觉醒,在各个条件下未有显著差异。

    (D)在简单任务中,相较于控制条件,接受真实反馈的个体未表现出明显的增加或减少趋势。箱型图之间括号上的数值代表配对样本t检验未矫正p值。基于Holm矫正基本未改变结果显著性水平。

 

心率变异性与唤醒水平的关系

研究假设在BCI条件下,高心率变异性可以有效反映低唤醒水平。在困难任务中,相较于其他两种控制条件,基于BCI神经反馈条件HRV (metric pNN-35 ms)显著提高(见图4A)。对于简单任务,三种反馈条件之间没有显著差异(见图4C)。HRV提高与副交感神经系统活动的增加以及交感神经系统活动的减少有关,即唤醒或应激减少。研究结果表明,BCI条件中任务表现改善与被试的唤醒程度降低有关。

 

瞳孔活动与蓝斑和ACC环路的关系

研究假设降低唤醒程度会通过调节蓝斑(LC)活动来提高任务表现,而瞳孔活动水平反映了LC活动水平。结果发现,在困难任务中,相较于两个控制组,BCI反馈条件瞳孔大小显著减小(见图4B);而对于简单任务,三个反馈条件下瞳孔大小差异不显著(见图4D)。研究表明,蓝斑活动会调节唤醒程度对任务表现的影响。

不同条件下瞳孔大小及HRV的显著变化。

(A)对于困难任务,BCI组的HRV显著高于两个控制组;

(B)BCI组的标准瞳孔大小显著高于两个控制组。而对于简单任务,标准化HRV

(C)与标准化瞳孔大小

(D)各条件下均未有显著变化。箱型图之间括号上的数值代表配对样本t检验未矫正p值。基于Holm矫正基本未改变结果显著性水平。

 

从脑电信号中解码任务难度

训练数据集交叉验证的解码性能为79.8±7.2%(M±SD;n=18),接受者操作特质曲线下,每个被试的解码率均要高于随机水平的解码率。其中,deltatheta波段的解码性能明显优于随机解码,与ACC参与的过程一致。而alpha, beta, gamma等频段的解码性能更强,其解码依赖于周边神经系统的活动(见补充材料图8)。研究结果表明,基于EEG信号的交叉验证解码性能更好

补充材料图基于脑电图的解码器

 

一句话总结:基于脑机接口的闭环神经反馈系统可以动态调节唤醒程度,提高个体在高负载的感觉运动任务中的实时表现。该方法可以推广到将自我调节作为靶向治疗的临床应用中。

 

原文:

Regulation of arousal via online neurofeedback improves human performance in a demanding sensory-motor task

J Faller, J Cummings, S Saproo… - Proceedings of the …, 2019 - National Acad Sciences

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