脑电结合经颅刺激研究：躯体感觉皮层在亲社会行为中的因果作用

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脑电结合经颅刺激研究：躯体感觉皮层在亲社会行为中的因果作用

发布者：admin 发布时间：2018/9/20

来自荷兰皇家艺术与科学学院(Royal Netherlands Academy of Art and Sciences, KNAW)的SeleneGallo等研究者在ELIFE上发文，其认为躯体感觉皮层的激活有助于亲社会决策。在本研究中，研究者结合脑电图(Electroencephalography, EEG)、经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)、高精度经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation, tDCS)来探究改变躯体感觉脑区的活动是否能够使人们间接地体验到他人的痛苦，进而改变自己捐献金钱的决定以减轻他人疼痛，同时还研究了疼痛感知的改变是否会介导这种效应。

本研究一共选取了169名健康被试，均为右利手视力或矫正视力正常，平均年龄为25±5岁。前人研究表明，种族偏见会调节个体的同理心。因而，在本研究中，视频材料选取白种人进行录制，被试也均选择为白种人。所有被试在实验前均填写知情同意书并在实验结束之后获得金钱补偿。参与者无神经病学，精神病学或其他疾病问题且没有对fMRI，TMS或tDCS的任何禁忌症。表1总结了在各个研究中被试的数量及特征。

表1 被试特征

该表呈现了在各实验中被试的数量，其中括号中为排除分析的人数；平均年龄以及其标准差(SD)；性别比；试验任务。EEG实验和TMS实验中均有3名被试被排除在外，因为他们没有充分相信封面故事。此外，1名被试因EEG记录失败而被剔除，一名tDCS实验被试因反应处于随机水平而被剔除。

本研究共分为三个部分：首先，开展EEG研究，为探究左侧手部区域SⅠ（somatosensory cortex I）激活能否解释亲社会行为的发生；其次，开展TMS研究，采用重复经颅磁刺激(repetitive Transcranial MagneticStimulation, rTMS)技术干扰手部区域的SI活动，以测试干扰SⅠ活动是否会改变亲社会行为；最后，开展tDCS研究，采用高精度直流电刺激(High-definition transcranial DirectCurrent Stimulation,HD-tDCS)来干预SⅠ活动，以探究对疼痛强度感知是否确实能够调节SⅠ活动对亲社会决策的影响。

研究一：EEG研究

采用高成本帮助范式(Costly Helping Paradigm)，其诱发一个有效的、自然的道德困境。在该范式下，通过金钱捐赠来减轻另一个人的痛苦，而另一个人的痛苦是通过在右手背上提供电击或拍击而引起的（见图1A）。为了避免实验过程中无法控制的变化，我们制定了封面故事（cover story）。每个参与者都认为她/他将与另一个参与者配对，并且他/她将与谁一起抽签以决定谁将扮演观察者的角色以及痛苦接受者的角色。观察者和痛苦接受者将被分配到通过摄像机连接的相邻房间。当疼痛接受者接受电击和拍击时，记录观察者在目睹疼痛接收者对刺激反应时的脑电图。事实上，被试均作为观察者，而招募的实验助手作为疼痛接收者。被试观看实验者预先录制的视频，包括实验助手施加有害刺激时其面部与手部的反应（视频1, 2, 3, 4）。

为了评估参与者的捐赠是否由视频中呈现的反应强度所影响，对于每个参与者，我们均对视频强度与捐献钱数的Z分数进行了稳健的线性回归。结果表示，被试捐献钱数Z分数随视频强度的变化而变化（见图2A）。在面部视频条件下，所有参与者的回归斜率均为正值且与零值存在显著差异（斜率: M =0.48, SD = 0.6, 斜率的平均t值 = 21.9, SD= 17, all p<0.05;斜率单样本t检验：t(28) = 37.9, p＜0.001）；在手部视频条件下，一个被试的回归斜率为负值且回归系数不显著(t=-0.17,p=0.8), 另一个被试的回归斜率为正值且回归系数不显著(t=1.89, p=0.06)，其余被试斜率均为正值且回归系数显著(p＜0.05)。我们采用线性约束最小方差波束形成算法（linear constrained minimum variance beam-formingapproach），以还原初级躯体感觉皮层的电活动。在此之前我们为了判断感知疼痛强度的SⅠ区域，进行了单独的fMRI研究，采用不同的强度电刺激来刺激个体右手并记录其疼痛水平。识别出左侧SⅠ区域中，BOLD信号与所报告疼痛刺激高度相关的体素，将其作为本实验的ROIs进行研究。

图1范式 (A)上图：手部与面部的视频快照（每种条件下的范例均在视频1-4中呈现）。中图：试次结构。红色箭头显示了面部表情呈现、皮带接触手部以及颜色饱和度开始变化的时刻。灰度梯度图示了面部反应的动态性和颜色饱和度的变化，灰度越深说明面部表情强度越强或颜色饱和度越高。输出视频的强度为输入视频的强度减捐赠数。底图：运行方式。在EEG与TMS实验中同样运用相同的方式。灰色闪电标志着在TMS实验中触发TMS。(B)彩色视频快照（参见视频5, 6）以及评分任务的试次结构。

对于每个被试、ROI和波束形成（beam-forming）均会沿着标准偶极子三个方向存在着活动的时间进程。本研究将三个偶极子方向进行多元分析。为评估EEG是否能够解释被试的捐赠行为，研究者在fMRI分析中采用随机效应，汇总统计方法（random effect, summary statistics approach）进行分析。首先，在单个被试的水平上，我们通过计算给定时间点上脑活动与捐赠钱数的Z分数对所有试次的稳健回归，以模拟SI中ROI活动与捐赠之间的关系（见图3A, 左图）。重复上述分析，可以绘制出每个被试、每种条件下、每个偶极子斜率的时间进程（见图3A, 右图）。其次，在组水平上，我们分析了一下斜率的组间分布。研究者假定，如果ROI的脑电活动与捐献行为没有关系，那么斜率会随机分布在零附近。为了验证这个虚无假设，研究者对所有偶极子、被试以及时间点进行霍特林t平方检验（Hotelling’s t-squared statistic）。校正结果用黄色表示（见图3B）。结果表明，在手部视频条件下，时间窗为420ms – 452ms (cluster – statistic= 142.2, p = 0.002)与458ms – 476ms (cluster– statistic = 91.4ms, p = 0.006)，dSⅠ-L的变化解释了捐赠钱数Z分数的变化。而在面部视频条件下，时间要相对延后一些。时间窗在516ms – 602ms(cluster-statistic = 602.5 ms, p = 0.0009)、608ms – 754ms(cluster – statistic = 333.8 ms, p = 0.0009)与808ms – 880ms (cluster – statistic = 330 ms, p = 0.0009)，期间，dSⅠ– L（dorsal）的变化解释了捐赠钱数Z分数的变化。此外，只有在面部视频的条件下，402ms – 430ms时，vSⅠ– L（ventral）的变化能够解释捐赠钱数Z分数的变化(cluster – statistic = 102 ms, p=0.005；见图3B)。

图2 ROIs与TMS结果。

(A)在手部视频与面部视频条件下，视频强度与被试捐款数量之间的关系。其中，视频强度由另一批被试评定。每个点是特定刺激强度下群体的平均捐赠水平。

(B)疼痛定位ROIs。左图：初级躯体感觉皮层的疼痛定位结果呈现了手部（蓝色）与面部（红色）运动相关区域的轮廓，该轮廓是由元分析软件Neurosynth生成的。具体而言，我们采用搜索术语“抓取”、“言语产生”以生成反向推理图，以分别探测手部与面部活动，并在左侧SI的解剖图中交叉。右图：在脑电图模板空间下，背侧与腹侧ROI可视化示意图以及TMS的近似位点。

(C)交互作用条件×TMS结果。*p＜0.05。

(D)左图呈现了HD-tDCS五个电极点的头皮分布，其中阳极位于d-SIL ROI（红色）。右图呈现了tDCS电极分布下预期的电流密度变化的3D刺激模拟，采用Matlab工具包COMETS 2中静电有限元法(FEM)得出。

为了可视化这种效应，我们将实验试次分为低、高捐赠类别（以每位参与者的中位数为临界值），并计算每个偶极子在播放视频（见图3C）期间的平均电压变化的时间进程。结果表示，在手部视频条件下，偶极子在拍击后的几毫秒内呈现正峰值，其沿着Z轴持续，X, Y轴处迅速消退。而在面部视频条件下未观察到显著的峰值。所有ROIs和条件下，高低捐献水平的反应在Y轴上可以被观察到。

图3D显示了信号从左半球的ROIs镜像到右半球，而标记为黄色的时间点显著地解释了捐献数量。在SⅠ的手部区域，两个半球活动相似，半球特异性不明显。而在SⅠ的面部区域，右半球的反应更为明显。

图3. SⅠ活动与捐赠数量之间的回归。

(A)左图：被试在某一时间点的脑内活动与被试所有试次捐赠数量的Z分数之间的关系。线性趋势表示在这些值上进行的稳健回归(Robust Regression)的斜率。右图：同一个被试稳健回归斜率的时间进程。

(B)在ROI和不同条件下，霍特林t平方检验(Hotelling’s t-squared test, Ht2)斜率的时间进程。对于手部视频而言，由于两个条件下的聚类在时间上非常接近，因此采用黄色的色带来标记。

(C)在每一个偶极子、SⅠ-ROI以及条件下，高（深色线条）低（浅色线条）捐赠水平的平均值。

(D)右半球结果。基于Ht2检验的显著聚类用黄色色带表示。

EEG研究结果表明，当目睹另一个人的疼痛时，SI（D-SI）的手部区域的脑活动的大小可以解释亲社会决策。为检验该区域对决策的因果作用，在第二个实验中，我们使用TMS来干扰SI手部区域的活动。

研究二：TMS研究

另一组参与者（见表1）同样进行高成本帮助范式，在观看面部与手部视频时，对左半球SⅠ手部区域施加真伪rTMS刺激。该研究是2（条件：面部、手部）×2（TMS：真刺激、伪刺激）两因素被试内设计。结果发现，以被试捐献钱数作为因变量，相较于手部条件下，面部条件试次与试次之间的被试捐献数量的变化更大，表现为条件主效应显著，F(1,14)=98,p＜0.001，而TMS主效应不显著，F(1,14)=0.2, p=0.65，二者的交互作用同样不显著，F(1,14)=0.2, p=0.7。而以被试捐献钱数的Z分数作为因变量，TMS的主效应，以及TMS与条件的交互作用同样不显著。

表2 EEG与TMS实验中，每种知觉强度下的输入视频的数量

最后一行呈现了在每一种条件和实验下，视频强度的平均值与标准差。

为检验TMS是否能够影响视频强度与捐献钱数之间的关系，我们分别在条件（面部与手部）以及TMS水平（真刺激、伪刺激）上，采用稳健回归计算视频强度与捐献钱数Z分数之间的斜率。以斜率为因变量，采用两因素重复测量方差分析。结果表明，相较于手部视频，面部视频的斜率会更大一些（面部视频: M =0.56, SD = 0.06; 手部视频: M = 0.49, SD = 0.14; 条件主效应: F_(1,14)= 7, p=0.02）， TMS的主效应不显著，F(1,14) = 1.9, p=0.19。而条件与TMS的交互作用显著，F(1,14) = 4.8, p=0.04，偏η²=0.25（见图2C），相较于面部视频条件下，手部视频条件下的TMS的干预效果更好。

本研究结果表明，只有通过身体部位的运动感知他人处于痛苦中时，TMS作用于SⅠ手部区域时才能影响到个人捐献行为。而通过观察他人痛苦的表情，则不会产生该效果。为了探究TMS的影响是否受对疼痛感知的影响，研究者进行了tDCS实验。

研究三：HD-tDCS研究

在本研究中，个体在接受tDCS刺激左半球SⅠ时，评定其观看的手部与面部视频的疼痛强度。高精度tDCS采用4×1的电极分布，其中阳极位于SⅠ手部区域（见图2D），而阴极对腹侧SⅠ有轻微抑制作用。为了控制本实验中与疼痛无关的强度评级过程的非特异性影响，我们引入了一种新视频，其中参与者需要对颜色饱和度强度进行评定（见图1B）。

本研究采用2（刺激：tDCS、伪刺激）×3（条件：手部、面部以及颜色）重复测量方差分析，以被试的评分作为因变量。结果发现，在三种不同条件下被试评分差异不显著。之后，研究者将视频强度与参与者给出的评分做相关，并将相关系数进行费舍Z转换。进行两因素重复测量方差分析表明，不同条件下相关系数存在差异（面部视频: M =1.3, SD = 0.2; 手部视频: M = 1, SD = 0.2; 颜色视频: M =1.2, SD = 0.3; 条件主效应显著: F(2,48) = 17,p<0.01）。tDCS的主效应不显著，而两者的交互作用显著，不同条件下，tDCS的作用效果不同，F(2,48) = 3.4, p=0.04, η²=0.12)。在手部条件下，采用tDCS干预SⅠ能够显著改善视频强度与评分之间的关系（手部、伪刺激: M = 1, DS = 0.2; 手部、tDCS: M =1.1,DS=0.2, t(24)= –2, p=0.04）。在面部条件下，采用tDCS干预SⅠ能够减弱视频强度与评分之间的关系（手部、伪刺激: M = 1.3, DS = 0.2; 手部、tDCS: M =1.2, DS=0.2,t(24)= 1.8, p=0.07)。而在颜色条件下，则没有显著变化（手部、伪刺激: M = 1.3,DS = 0.2; 手部、tDCS: M = 1.2, DS=0.3, t(24)= 1, p=0.3)。