journal of neuroscience：面孔的神經(jīng)表征與眼動(dòng)模式相協(xié)調(diào)

眼球運(yùn)動(dòng)是人類視覺功能如何完成的一個(gè)信號(hào)。近期大量的研究持續(xù)驗(yàn)證了在面孔識(shí)別過程中特征視覺采樣的策略。然而這些個(gè)體差異是否反映在特殊的神經(jīng)差異上目前尚沒有研究報(bào)告。為探討該問題本研究首先記錄了觀察者在面孔再認(rèn)過程中的眼動(dòng)數(shù)據(jù)；其次通過EEG數(shù)據(jù)獲得了他們的面孔辨別神經(jīng)反應(yīng) (neural face discrimination response)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在面孔再認(rèn)階段，注視點(diǎn)固定時(shí)間更長(zhǎng)的面部特征誘發(fā)的面部辨別神經(jīng)反應(yīng)更大。該模式在不同的被試中 (eye lookers vs.mouth lookers) 同樣被發(fā)現(xiàn)，且在注視點(diǎn)首次固定在興趣位置時(shí)這種模式就會(huì)出現(xiàn)。本研究表明，眼球運(yùn)動(dòng)在視覺處理過程中起著重要的作用，可以為神經(jīng)系統(tǒng)提供判斷特定觀察者的判斷信息，并且面孔身份的有效處理涉及特質(zhì)，而不是整個(gè)面孔。該研究由來自瑞士的Stacchi, Ramon, Leo和Caldara 完成，發(fā)表在雜志the journal of neuroscience上。

研究背景：

視覺系統(tǒng)對(duì)外部感知覺信息的處理依賴于眼球選擇性移動(dòng)到任務(wù)相關(guān)信息上，而面部信息的處理有特殊的凝視策略。長(zhǎng)久以來，被普遍認(rèn)同的面部識(shí)別策略為T型注視點(diǎn)模式 (T-shaped fixationpattern)，即覆蓋了眼睛和嘴巴位置的T型區(qū)域。然而，近十年來涌現(xiàn)的大量研究對(duì)面孔識(shí)別策略提出了新的見解。例如，caldara (2017) 的綜述文章指出不論東方還是西方人在面孔識(shí)別過程中都會(huì)分別采用T型策略和中央注視偏好 (more centralfixation bias)，兩種策略使用熟練程度是類似的。另外大量基于個(gè)體被試的研究發(fā)現(xiàn)，面孔觀察者會(huì)采用獨(dú)特的面孔采樣策略，并且這種策略在時(shí)間進(jìn)程是穩(wěn)定的，且與行為表現(xiàn)相關(guān)。特別需要指出的是，僅僅在西方面孔觀察者群體中發(fā)現(xiàn)的特征視覺采樣策略就與周知的T型策略不同。盡管支持特征視覺采樣策略的研究如雨后春筍，但目前我們對(duì)該策略在整個(gè)面孔識(shí)別過程中扮演的角色以及神經(jīng)機(jī)制知之甚少。通過比較各種范式的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究采用了新舊判斷任務(wù)（眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)）和FPVS范式 (腦電實(shí)驗(yàn)，fast-periodic visual stimulation)來對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)與面孔識(shí)別的神經(jīng)機(jī)制之間的關(guān)系進(jìn)行了探究。

方法：

被試：20名西方白種人被試（11女，兩位左利手，平均年齡：25±3歲）。其中三名被試因?yàn)檠蹌?dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量差被剔除。

實(shí)驗(yàn)流程：

眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：從KDEF（西方人面孔數(shù)據(jù)庫）中選取56張西方白種人面孔、從AFID（亞洲人面孔數(shù)據(jù)庫，可在文章中找到具體文章和網(wǎng)址）中選取26張東方亞洲人面孔組成視覺刺激。面孔刺激呈現(xiàn)在VIEWPIxx / 3D顯示器（1920 x 1080像素分辨率，刷新率120 Hz）上，被試距離顯示器距離75厘米。面孔圖片大小為12.56°（從下巴到發(fā)際線的高度）x 9.72°（寬度）視角。被試要完成兩個(gè)學(xué)習(xí)與再認(rèn)blocks。在每個(gè)block中，被試需要學(xué)習(xí)14張面孔身份（男女各半），14張面孔隨機(jī)呈現(xiàn)三種（中性、高興和厭惡）表情。30秒鐘之后，28張面孔圖片（14張舊圖片）依次呈現(xiàn)要求被試又好又快的做出新舊判斷。在學(xué)習(xí)階段，面孔呈現(xiàn)5秒鐘，而在再認(rèn)階段，面孔呈現(xiàn)至被試完成反應(yīng)。眼動(dòng)數(shù)據(jù)全程記錄。

數(shù)據(jù)收集與處理：眼動(dòng)行為數(shù)據(jù)通過EyeLink 1000設(shè)備（時(shí)間分辨率1000 Hz）記錄。在實(shí)驗(yàn)開始前運(yùn)用九點(diǎn)注視點(diǎn)程序?qū)ψ⒁朁c(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)試次開始前被試皆會(huì)被要求將注視點(diǎn)集中到屏幕中央位置直到刺激呈現(xiàn)。其余額外變量嚴(yán)格控制。在使用Nystrom等人 (2010) 的算法剔除眼動(dòng)偽跡和眼跳偽跡之后，用新舊判斷任務(wù)學(xué)習(xí)與再認(rèn)階段的眼動(dòng)數(shù)據(jù)分別繪制個(gè)體注視點(diǎn)地形圖。眼動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，對(duì)每個(gè)被試注視點(diǎn)地形圖分別平均。使用這些個(gè)體注視點(diǎn)地形圖和興趣區(qū) (regions of interest, ROIs,圖1) 來計(jì)算個(gè)體的注視強(qiáng)度，即累計(jì)注視時(shí)間。ROIs覆蓋了1.8°視角的面積，即在FPVS任務(wù)中包括中心點(diǎn)在內(nèi)的十個(gè)注視位置 (viewingpositions, VPs)。

圖1 興趣區(qū)模式圖

腦電：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

采用50張（男女各半）中性情緒面孔，將多余的面部特質(zhì)裁剪掉，呈現(xiàn)在灰色的背景下。刺激每張11.02°×8.81°，被試與顯示器距離70 cm。刺激按照FPVS范式進(jìn)行呈現(xiàn)，每個(gè)試次持續(xù)62秒，包括一系列相同身份的面孔和每個(gè)試次中第7個(gè)面孔的oddball面孔。按照VPs分為10種條件，每種條件按照性別不同分為兩種子條件，因此實(shí)驗(yàn)總共20試次。刺激按照正弦明暗對(duì)比呈現(xiàn)，并在每個(gè)試次的開始和結(jié)束設(shè)置兩秒鐘淡入淡出。注視點(diǎn)顏色發(fā)生變化以使被試保持注意力，并要求被試對(duì)相應(yīng)顏色進(jìn)行按鍵。在EEG數(shù)據(jù)記錄時(shí)不再進(jìn)行眼動(dòng)數(shù)據(jù)記錄。詳見圖2。

圖2 FPVS流程示意圖

數(shù)據(jù)記錄與處理：

EEG數(shù)據(jù)用Biosemi active-Two amplifier系統(tǒng)記錄，128導(dǎo)銀/氯化銀電極帽，采樣頻率1024 Hz。使用Letwaves 5 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先進(jìn)行0.1–100 Hz帶通濾波，隨后數(shù)據(jù)降頻至256 Hz并根據(jù)條件切分為20個(gè)66秒的epoch，刺激前后各包含兩秒。ICA用來剔除每個(gè)被試的眼動(dòng)偽跡。采用插值替換的方法對(duì)壞電極進(jìn)行替換，對(duì)ERP數(shù)據(jù)重參考至全腦平均。最后每個(gè)被試的每個(gè)條件所有試次平均。

頻域：

對(duì)平均后的ERP進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換并提取振幅。通過從每個(gè)頻率振幅中減去周圍20個(gè)bin的平均值進(jìn)行基線校正，排除相鄰的兩個(gè)bin。最后，對(duì)于每個(gè)被試和條件，oddball頻率及其顯著諧波的基線校正總和提供了神經(jīng)人臉識(shí)別的指標(biāo)。諧波顯著性水平被定義為所有的條件平均Z分?jǐn)?shù)低于1.64 (p <.05)。

統(tǒng)計(jì)分析：

運(yùn)用iMPA4工具箱進(jìn)行線性回歸以探索再認(rèn)階段注視點(diǎn)偏向（注視持續(xù)時(shí)間的Z分?jǐn)?shù)）和面部辨別神經(jīng)信號(hào)（FPVS反應(yīng)的振幅）的關(guān)系。為探索同一被試的注視點(diǎn)地形圖是否與EEG反應(yīng)有強(qiáng)相關(guān)，研究中隨機(jī)選擇被試的注視點(diǎn)地形如與另一個(gè)被試的EEG反應(yīng)進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，并進(jìn)行了線性回歸分析。這個(gè)過程重復(fù)了1000次。研究運(yùn)用嚴(yán)格的方法控制了顯著性的取值。研究對(duì)學(xué)習(xí)階段的眼動(dòng)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了如上述的統(tǒng)計(jì)分析。

眼動(dòng)和FPVS反應(yīng)結(jié)果：群體和個(gè)體層面的注視點(diǎn)及神經(jīng)信號(hào)描述

在個(gè)體層面，多數(shù)被試的注視點(diǎn)地形圖并沒有很完美地?cái)M合總平均的地形圖，這證明了特征視覺采樣策略的存在。總平均之后的面孔辨別神經(jīng)反應(yīng)振幅隨著VPs的變化而變化，在中央注視位置時(shí)振幅最大。然而，神經(jīng)反應(yīng)的振幅也因被試的不同而呈現(xiàn)出不同態(tài)勢(shì)。詳見圖3。

圖3 注視點(diǎn)地形圖

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回歸分析：注視點(diǎn)與神經(jīng)反應(yīng)之間的關(guān)系

對(duì)個(gè)體注視持續(xù)時(shí)間和FPVS反應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的回歸分析，結(jié)果顯示了右側(cè)枕顳葉和中頂電極簇上的正相關(guān)。枕顳葉電極簇包含12個(gè)顯著的電極，最大效應(yīng)出現(xiàn)在P10、最小效應(yīng)出現(xiàn)在P9。盡管注視點(diǎn)與神經(jīng)反應(yīng)在被試間存在差異，但所有的被試都發(fā)現(xiàn)了這種正相關(guān)。中頂區(qū)電極簇包含13個(gè)電極點(diǎn)，最大效應(yīng)出現(xiàn)在C1最小效應(yīng)出現(xiàn)在FCz。詳見圖5，表2。

圖5 注視持續(xù)時(shí)間與面部識(shí)別神經(jīng)反應(yīng)之間的關(guān)系圖

表2 EEG結(jié)果數(shù)值統(tǒng)計(jì)圖

為探究相同被試的注視點(diǎn)地形圖與EEG反應(yīng)是否相關(guān)良好，對(duì)不同被試之間的EEG反應(yīng)與注視點(diǎn)地形圖進(jìn)行了相關(guān)分析。第一個(gè)和第二個(gè)注視點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)了顯著的結(jié)果，但在學(xué)習(xí)階段只有第一個(gè)注視點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)了顯著的效應(yīng)。詳見圖6，表3。

圖6 注視點(diǎn)偏向數(shù)據(jù)結(jié)果圖表3 學(xué)習(xí)階段回歸分析結(jié)果

特定注視點(diǎn)偏好可以解釋本研究中發(fā)現(xiàn)的關(guān)系嗎？為探究在再認(rèn)階段被試展示出的注視點(diǎn)偏好能否預(yù)期注視點(diǎn)和神經(jīng)反應(yīng)之間的強(qiáng)相關(guān)，本研究首先按照振幅對(duì)每個(gè)被試的注視點(diǎn)地形圖進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)出相同注視點(diǎn)模式的被試之間相關(guān)性強(qiáng)度可能不同，但不同注釋模式被試之間的相關(guān)性強(qiáng)度反而接近。計(jì)算每個(gè)被試注視點(diǎn)地形圖與總平均注視點(diǎn)模式之間的距離并將該距離與相關(guān)強(qiáng)度（注視點(diǎn)與神經(jīng)反應(yīng)）之間計(jì)算斯皮爾曼相關(guān)，并沒有發(fā)現(xiàn)兩者的顯著相關(guān)關(guān)系。這表明，注視點(diǎn)偏好可能不是本研究發(fā)現(xiàn)結(jié)果的解釋性原因，其原因可能主要受到個(gè)體注視策略的調(diào)節(jié)。詳見圖7。

圖7 注視點(diǎn)地形圖和注視點(diǎn)-神經(jīng)反應(yīng)相關(guān)關(guān)系強(qiáng)度圖

總結(jié)：

本研究探討了面孔特征視覺采樣策略和不同面孔注視點(diǎn)下的面孔辨別神經(jīng)反應(yīng)振幅之間的關(guān)系。結(jié)果表明，每個(gè)被試視覺信息采樣的方法是不同的，并且這種差異與神經(jīng)反應(yīng)呈顯著正相關(guān)。具體地，在自由觀看狀態(tài)下注視點(diǎn)集中時(shí)間更久的位置會(huì)誘發(fā)更大的面孔辨別神經(jīng)反應(yīng)。總而言之，本研究發(fā)現(xiàn)，面部信息處理過程包含明顯的特征取樣策略和對(duì)優(yōu)先取樣信息獨(dú)特的神經(jīng)反應(yīng)。而基于第一個(gè)注視點(diǎn)或者第二個(gè)注視點(diǎn)的分析同樣發(fā)現(xiàn)了這樣的關(guān)系可能說明這種特征注視策略在面部信息處理進(jìn)程的早期就被喚醒。

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