fMRI视觉刺激实验设计及数据分析方法的研究--xh.doc

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1、fMRI视觉刺激实验设计及数据分析方法的研究视觉信息（如颜色、深度等）在视觉中枢的处理过程，至今所知甚少。在视皮层中已发现了对某种颜色或某一个深度有特异反应的细胞。但资料仍是零碎的。fMRI技术能以高时空分辨率实时地显示出大脑特定局部区域的功能活动情况，使得人们更客观、更精确地了解人脑的活动变化情况。以颜色、形状为例重点介绍fMRI视觉刺激实验的设计，并围绕着人在棋盘格闪烁的视觉刺激下脑区激活过程中产生的fMRI数据进行预处理及后期分析，其中视觉刺激实验的刺激材料采用MATLAB绘制，实验呈现控制及数据记录用E-Prime软件，数据处理分析用SPM。本研究对人在棋盘格及图形的视觉刺激（纯颜色、

2、简单形状）下脑皮层的激活情况进行记录和分析，数据分析后的脑激活区及BOLD曲线接近前人的研究结果，其实验设计、数据的处理过程和实验结果将为“图像颜色和形状特征绑定的脑认知过程及模型研究”的后续研究即颜色和形状特征绑定的实验设计及数据分析提供一些参考和帮助。第1章 ：课题研究背景研究内容：（1） 设计fMRI脑功能成像实验（2） 分析fMRI实验数据第2章 ：实验设计（1） 心理学实验程序设计的理论框架（2） fMRI刺激任务设计模式（3） fMRI视觉刺激实验程序设计流程A) 刺激材料的绘制（MATLAB）B) E-Prime实验设计流程（4） 实验设计总结第3章 ：实验实施及数据采集第4章

3、：基于SPM数据处理软件的数据分析（1） 数据预处理A） 层间时间矫正B） 头动校正C） 空间标准化D） 高斯平滑（2） 数据分析A） fMRI刺激实验条件的模型设计B） 模型参数估计C） 结果计算（3） 实验结果分析第五章：结论与展望【课题研究背景】fMRI是一种无创的、可以实时跟踪脑活动的手段，当今的研究热点。MRI即磁共振成像，是断层成像的一种，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。80年代后期以前，由于磁场不均匀性所产生的信号延迟被看作是MRI成像的一个缺陷。为了抵消其影响，人们采用自旋回波技术，即在最初的激励脉冲后面加一个重聚焦射频脉冲来消除相位变化的影响，或者尽可

4、能地缩短激励脉冲和信号采样之间的时间间隔。后来，对实验动物的独立研究表明，只需改变血的氧合状态就可得到与对比剂在血管周围扩散的MRI图像改变相类似的结果。这个观察结果基于，脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白更具有顺磁性，所以它本身就有和组织一样的磁敏感性。因此，脱氧血红蛋白可以看作是天然的对比剂。如果影响大脑的状态使氧摄取和血流之间产生不平衡，并采用对磁场不均匀性敏感的MRI成像序列，就可在脑皮层血管周围得到MRI信号的变化。此技术称作血氧合度依赖的对比（Blood Oxygenation Level Dependent Contrast, BOLD Contrast）。这种方法可在无须对比剂和放射剂

5、的条件下进行人脑功能定位的研究，并具有较高的空间分辨率。这就是fMRI的基本原理。fMRI的空间和时间分辨率主要受伴随神经活动所产生的生理变化的限制，而不是成像技术本身的限制。在神经活动中，突触传导为1毫秒级，信息传输是几百毫秒。但血流动力学反应的长潜伏期严重妨碍了BOLD对神经信号的响应。活动皮层BOLD信号的峰值出现 在激励开始后58s，并且回到基线水平需要同样的时间。如果在血流动力学反应时间之内加一个单独的刺激会减少对比度，因为信号没有足够的时间回到静息水平。血氧水平依赖功能磁共振成像实现了对人类视觉系统相关脑区的功能定位，同时，还可以反映出人的视觉系统的生理改变，甚至可以深入探索与视觉

6、相关的神经机制。单一细胞本身并不代表完整的感觉。【研究内容】1、 设计fMRI脑功能成像实验 采用认知心理学和认知神经科学的方法，研究设计颜色形状特征绑定认知心理学实验，探索人脑工作记忆中视觉客体的颜色与形状的认知过程，开展fMRI脑功能成像实验，获得特征绑定的相关脑成像数据。2、分析fMRI实验数据 使用SPM软件对fMRI获取图像感知过程中（侧重特征绑定）的脑成像数据进行处理分析。第2章 ：实验设计【心理学实验程序设计的理论框架】1、 实验程序设计的基本原则（1） 结构化原则 心理实验程序由7部分组成：指导语、注视点、刺激界面、探测界面、反馈界面、反馈缓冲、结束界面。（2） 模式化原则 心

7、理学实验程序控制的“五要素”：呈现时间、呈现方式、呈现格式、反应方式和数据收集。（3） 流程化原则把实验程序的各部分按实验运行的先后顺序进行描绘即可画出实验流程图（或称为实验运行示意图、实验结构流程图）。实验结构流程图式实验设计的蓝本。画出实验流程图是实验设计的开始，也是实验研究人员与程序设计人员进行沟通的桥梁。2、 实验控制的三要素（1）呈现时间呈现时间是指一个界面呈现在被试面前的持续时间，有长至几分钟（如探测界面的等待反应），也有短至几十毫秒（如瞬时记忆实验中的刺激呈现界面为50ms）不等。呈现时间有三种形式：固定时间形式、变化时间形式和无限时间形式。固定时间：界面的呈现时间在整个实验运行

8、过程中应始终保持一致。在设计时，只要把界面的呈现时间设置为相应的时间值即可。变化时间：界面的呈现时间在整个实验运行过程中会随着条件的变化而变化。在设计时，需要把变化的时间定义成一个“变量”或一个“数组”，界面的呈现时间通过调用“变量”或“数组”得以实现变化。无限时间：界面的呈现时间是无限的，在被试没有做出按键或反应之前，界面一直都在呈现。如指导语的呈现时间是无限的，因为实验者要求被试必须看清楚指导语后方能按键进行练习或实验。多数实验的探测界面的呈现时间也设置成无限时间，因为必须要收集到被试的反应。在实验设计时，需要把该界面的呈现时间设置成无限时间（在E-Prime程序设计中，设置为“-1”或“

9、infinite”），同时还必须有呈现方式的配合设置，即还需要把该界面的呈现方式设置成按键消失或反应消失。（2） 呈现方式呈现方式是指一个界面在被试面前呈现完毕后将怎样消失。界面的呈现方式有四种形式：自动消失、按键消失、反应消失和“自动+反应”。自动消失：呈现时间到点后即自动消失该界面。在进行程序设计时，对呈现方式的控制，只需要设置该界面的呈现时间即可，呈现方式无需设置。按键消失：按键后该界面消失。如移动窗口技术中的篇章阅读界面，按空格键后当阅读句消失，后一句呈现。通常在刺激界面中设置该种呈现方式。在程序设计时，对呈现方式的控制既需要设置该界面呈现时间为无限时间，又需要设置相应按键，使制定的键

10、值起作用。反应消失：是探测界面中采用的一种呈现方式。即被试必须做出某种反应后该界面才消失，否则将继续呈现，直到被试做出反应为止。在进行程序设计时，对该呈现方式的控制不仅需要设置界面的呈现时间为无限时间，还需要设置反应键。反应消失和按键消失这两种呈现方式的区别在于：反应消失应用于探测界面中，通常设置有两个或多个反应键供被试做出反应，必须记录被试的反应结果和反应时的数据；而按键消失通常应用在刺激界面中，常常设置单个按键进行操作，不一定需要记录按键的反应时等数据。（3）数据收集 数据收集是指在探测界面中设置将要收集哪些数据。有些刺激界面可能有时也需要收集被试的反应数据，比如在移动窗口范式中，有的实验

11、要求记录被试在某个或某些句子的阅读时间。研究者进行实验研究需要收集的数据有三项：1）反应时（RT：Response Time）：反应时是心理学研究中最为经典和最为永恒的指标；2）正确与错误（ACC：Accuracy）：记录被试反应的正误，进而可算出数据的错误率和正确率；3）被试的反应（RESP：Response），记录被试反应时的按键值，即被试的实际按键，或记录被试语音反应中的口头报告内容。3、实验常用组成部分的功能与制作（1）指导语作用：用于告诉被试实验将怎样进行，指示被试怎样进行反应。实验设计：指导语的呈现时间设置成“无限时间”。被试只有看清楚和理解指导语后才能进行练习或实验，所以指导语的

12、呈现时间是无限的。指导语的呈现方式设置成“按键消失”。写指导语的注意事项：指导语是实验程序的第一个界面。1）人性化原则；2）简约化原则；3）操作性原则；4）定稿原则。（2） 注视点作用：通过醒目的注视点符号提醒被试开始集中精神注视屏幕，不要分散注意力，实验刺激即刻呈现。实验设计：注视点的呈现时间一般设置为500ms800ms，作用在于提醒被试开始集中精神注视屏幕。呈现方式设置成自动消失，注视点的呈现方式设置成自动消失，而不设置成按键消失或反应消失，目的在于随着注视点的消失，被试的注意能即时转移到下一个界面中。呈现格式为“+”（或者“*”）、红色、30号字号以上。注视点呈现时间到点后自动消失，无

13、须搜集被试的按键情况和反应数据。（3） 刺激界面作用：呈现实验材料。这类界面一般不要求被试做按键反应，但有的实验要求被试按键进行刺激的变化或界面的变换。在一个实验中可能会有一个或多个刺激界面。实验设计：刺激界面的呈现时间设置要根据实验的要求来确定。刺激界面的呈现时间因不同的实验要求而做不同的设置。主要有固定时间和变化时间两种设置。如在知觉研究实验中，刺激界面的呈现时间应设置为固定的30ms；如在注意线索技术实验范式的研究中，刺激界面的呈现时间有500ms、1000ms、1500ms三种变化。呈现格式设置也要根据实验的要求而定。呈现方式设置成自动消失或按键消失。刺激界面中的刺激材料的呈现格式要根

14、据实验的要求，分别对字符型刺激材料的属性、图片型刺激材料的属性或听觉型刺激材料的属性加以相应的设置。同一Block中不同Trial的实验材料，其呈现格式要保持一致。刺激界面一般不要求被试进行反应。（4） 探测界面作用：用来探测被试的反应和收集反应的数据。在每个心理学实验中都有这一组成部分。实验设计：呈现时间设置要根据实验的要求来确定。主要有固定时间和无限时间两种形式。固定时间要求被试在固定时间内作出反应，若没有做出反应，探测界面会自动消失，转入到下一个Trial中。无限时间即要求被试必须对研究者的探测作出反应，方能继续余下的实验。可根据实验的要求设置成键盘反应、语音反应、外接按键反应、脚踏板反

15、应中的一种，或设置成其他反应形式。（5）反馈界面作用：对被试的反应做出正确或错误的反馈。对错误的反应做出提醒或警示，对正确的反馈进一步强化。内容和形式：反馈界面的内容信息有：1）正确与错误：给出被试反应的正确反馈与错误信息，以强化或警醒被试该怎样进行反应；2）反应时间：给出被试做出正确或错误反应的时间，让被试知道自己反应的快慢；3）累计正确率：给出被试联系或实验开始后累计的正确率，让被试知道自己对实验总体的把握程度以及对实验的配合程度。实验设计：反馈界面的呈现时间设置成1000ms2000ms比较合适。呈现方式设置成自动消失。正确信息的反馈用蓝色显示，错误或起警示作用的信息用红色来显示。（6）

16、 实验缓冲 作用：被试在做出反应之后延迟下一个Trial的呈现，使整个实验过程流畅。实验缓冲的内容一般是一个空白刺激或一段空白过渡，即空屏。 实验设计：因为实验缓冲只是一个空屏，只设置呈现时间即可，一般设置成500ms1200ms较为合适。呈现方式设置成自动消失。（7） 结束界面作用：告诉被试实验结束，并感谢被试的参与。实验设计：只呈现实验结束的信息，呈现时间一般设置成1000ms2000ms较为合适，呈现方式设置成自动消失。【fMRI刺激任务设计模式】fMRI实验中采用的刺激任务内容多种多样，采用何种形式的刺激完全取决于实验者需要考察何种脑功能。刺激任务的基本组成单位是单次刺激事件。即一次持

17、续时间很短（几十到几百毫秒）的刺激，例如显示一幅持续时间50ms的图像，或做一次快速握拳的动作。由于一次刺激事件所引起的BOLD信号很弱，所以在fMRI实验中，同一类型的刺激事件需要重复多次以获取足够的信噪比。这些刺激事件之间的时间关系称为刺激时间模式。fMRI实验采用的刺激时间模式分为两类：块状模式和事件相关模式。块状模式-由周期为T的多个任务块组成，每个任务块由一对（或多对）持续时间分别为Tr和Ts的静息状态和刺激状态组成。Tr和Ts通常相等，取值在20秒到1分钟之间。在静息状态，被试不接受任何刺激；在刺激状态，被试则接受相同且近似连续（相邻两次事件之间的时间间隔很短，约100ms -50

18、0ms左右）的刺激事件。块状模式的优点是设计简单，数据处理比较容易，且产生的BOLD的信号较强，探测效率高；缺点是无法获取单次刺激事件引起的BOLD信号的时间曲线。事件相关模式中的刺激事件是离散的，每相邻两次刺激事件之间的时间间隔（ISI）比较长（几秒到几十秒）。在一个刺激任务设计中，ISI可以固定不变，也可以随机变化。事件相关模式的优点是设计方式灵活多变，可以探测单个刺激事件所引起的平均BOLD曲线。其缺点是分析方法比较复杂。采用事件相关模式的刺激任务产生的BOLD信号较弱，探测效率低。在1.5 - 3 T MRI系统上，块状模式产生的BOLD信号大约为3% -5%，而事件相关实验则仅为1%

19、 -2%。这意味着对于相同的统计效力，事件相关实验比组块实验需要更长的扫描时间。【fMRI视觉刺激实验程序设计流程】（1）刺激材料的绘制 实验所用的刺激图形为Matlab软件生成。【E-Prime实验设计流程】-8步第一步：画出实验流程图指导语结语刺激注视点静息态注视点重复六次第二步：新建目录，存储本实验程序的相关文件每设计一个E-Prime实验程序，都必须建立一个相应的目录，用来储存本实验程序的相关文件，包括设计文件、脚本文件、图片刺激文件、指导语图片等。第三步：在总过程Sessionproc中创建指导语（Slide控件）在心理实验中，“指导语”是实验中最先程序的界面，置于实验的总过程中，如

20、下图“Slide1”界面为指导语界面。常用Slide控件来设计指导语，具体方法如下：（1） 打开总过程 双击Structure中的总过程SessionProc，在E-Prime的灰色工作区域出一个绿色起始红点结束的实验工作流程线。（2） 拖放Slide对象至总过程作实验指导语 在Toolbox中选中Slide控件，按住鼠标左键，拖至实验总过程SessionProc流程线中，即在SessionProc流程线中生成Slide1界面。（3） 载入指导语图片 双击Slide1，即指导语设计界面。在这个界面的标题下面有一排工具栏，用鼠标单击SlideImage工具，然后将鼠标移至Slide的空白区域，单

21、击鼠标左键，将SlideImage图片工具置于空白区域中，即出现如下图的图片框Image1.选中该图片框，单击鼠标右键，选中Properties，即出现图中的Properties：Image1对话框，在该对话框中有General 和Frame两个属性页。&（4） 设置指导语实验控制的“五要素”1） 呈现格式2） 呈现时间3） 呈现方式4） 反应方式和数据收集第四步：用Lise Object指定和生成流程图中的核心实验过程第五步：在Lise Object输入刺激材料及其相关属性第六步：在核心实验过程中创建核心实验过程的各个组成部分，并设置相应的呈现时间、反应方式、需要记录的数据等实验控制要素。【

22、实验设计总结】理论上图片以8HZ的频率闪烁240次，刺激态的时间为30秒。【实验实施和数据采集】实验环境实验系统采用Achieva 1.5T ND医用磁共振成像系统，与MRI配合的视觉刺激由E-Prime 2.0软件控制，经投影仪投影至屏幕，再由镜面反射入人眼。实验目的（1）视觉皮层激活验证； （2）形状认知在视觉初级皮层中的定位； （3）颜色认知在视觉初级皮层中的定位。实验内容实验分为结构像采集、静息态功能采集、任务态功能像采集。整个实验过程中用头架固定受试者头部，并嘱咐被试不要移动。先完成静息态功能像的扫描（496秒）和任务态功能像的扫描（共计6分钟+9分钟48秒+5分钟+6分钟=26分钟

23、48秒），再进行结构像的扫描。功能像采集实验过程包括四个实验：实验一：验证8HZ的黑白翻转棋盘对视觉皮层的影响。实验模式为组块设计，30秒静息期和30秒活动期交替6组刺激，每个trail为60秒，共360秒。实验二：形状刺激任务。视觉刺激图像为黑白交替的圆环圆形、正方形图形和三角形图形。对视觉皮层形状的认知进行功能定位。实验模式为组块设计，16秒静息期和16秒活动期交替6次，每个trail 为32秒，三组实验共576秒，刺激任务前额外增加了12秒，任务中间加入三个按键事件，每个8秒，共计576+12+24=612秒。实验三：探索短时间刺激，不同形状排列方式对视觉皮层的刺激。视觉刺激图像还是黑白

24、交替的圆环图形、正方形图形和三角形图形，按照排列组合方式进行交替显示，单次刺激事件为2秒，每个trail为8秒，重复36次，共288秒，刺激任务前额外增加了12秒，共300秒。实验四：颜色刺激任务，刺激图片为红白翻转棋盘，30秒静息期和30秒活动期交替6组刺激，每个trail为60秒，共360秒。影响实验结果的因素：（1） 被试头动。固定，尽量减少移动。（2） 被试眼动。需要被试始终注视图片中心注视点才能保证刺激图像在视网膜上的成像位置相对固定。翻转棋盘尽量注视中心位置，黑白翻转图形注视中心十字点。（3） 环境光源的影响。实验中尽量减少环境光源对被试的影响，在磁共振机房中除投影仪之外的所有光源都应关闭。【基于SPM数据处理软件的数据分析】 数据处理采用Matlab平台下的SPM8，处理过程分预处理和个体统计两步，预处理包括层间时间校正（Slice timing）、头动校正（Realign(Est&Res)）、空间标准化（Normalise(Est&Wri)）、高斯平滑（Smooth）;个体统计包括模型设计（fMRI model specification）、模型参数估计（fMRI model estimation）、结果计算（Redults）。数据预处理1 层间时间矫正2 头动校正3 空间标准化4 高斯平滑数据分析5 fMRI刺激实验条件的模型设计6 模型参数估计7 结果计算