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 area while the subjects were exposed to emotional stress task. Methods： Subjects were exposed to positive affective pictures，which were laughable，negative affective pictures ，which were taken 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 of counting 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 stress
1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—hypothesis)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：
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图2.3.1.中性图片 图2.3.2负性图片
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图2.3.3.正性图片
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。
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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。
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图2.3.4 仪器佩戴图片
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。
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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。
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。
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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，以图像的方式映射到对应人脑区域上，得到类似如下图片。
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图2.3.7 映射到大脑区域的图像
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。
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。
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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。
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
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理想结果中正性图片大脑前额叶左侧激发强烈。
2.负性减中性
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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。
3.正性减负性
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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。
表1 红色区域相对强度统计
位置
左
中
右
正性减中性
56
44
6
负性减中性
26
13
2
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。
4.选择干扰小的实验装置。
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）.
[4]杨宏宇，林文娟.国际情感图片系统在中国诱发正性和负性情绪反应的研究[J]中国行为医学科学.2005.14.11
《脑科学,情绪反应实验报告》相关文档：
脑科学,情绪反应实验报告06-26
脑科学,情绪反应实验报告10-09
