Notch noise持续影响作用的ERP探析

时间：2024-08-31

马玥璐,陈林,齐韫艺

(安徽中医药大学人文与国际教育交流学院，合肥 230012；中国科学技术大学生命科学学院，合肥 230026)

Notch noise 意为“有缺口的噪声”，即把一定带宽的噪声Noise，按照一定参数挖去一部分后，变成为一个Notch noise。关于Notch noise的研究有从听力损失方面的研究[1-5]。也有从生物神经方面研究Notch noise的影响[6-10]。也有用Notch noise测量人和动物听觉频率分辨率的研究[11-12]。有特别研究Notch noise对动物的影响作用[13]。也有和主观性耳鸣联系的研究[14-15]。

相关研究，听觉刺激noise通常选用1 kHz、2 kHz、4 kHz和5.657 kHz为噪声刺激，而Notch noise则在此基础上根据一定的参数挖去一部分做成需要的不同的Notch noise声音刺激，其中具体参数如下：

其中4 kHz的三个不同带宽的Notch noise中为最优inducer的人数最多，故本研究也选取4 kHz的三个不同带宽的Notch noise作为脑电实验的刺激材料。在前人研究基础上，选取4 kHz的三个不同带宽的Notch noise的行为实验，具体设置如下：

0.6oct notch noise(nn1):[3175Hz，4825Hz]

0.8oct notch noise(nn2):[2920Hz，5080Hz]

1.0oct notch noise(nn3):[2667Hz，5333Hz]

把nn1、nn2、nn3和noise组成的刺激材料，均以呈现1 s，空1 s的形式组成不同的“小火车”刺激序列，其中以7个noise 和7个notch noise 为一组，随机组合成前后两组刺激材料。前人行为数据研究显示，有些个体对于notch noise组成的“小火车”序列中听到了一个根本不存在的“纯音”。这恰恰证实了听觉负后像的存在，即前一个notch noise短暂呈现消失，下一个notch noise又短暂呈现消失，即刺激短暂消失后在听觉通道产生了一个听觉负后像，因此个体报告听到了一个“纯音”，而这个所谓的“纯音”实际上根本就不存在，是notch noise呈现消失后产生是听觉负后像。但在noise组成的“小火车”序列中却没有产生听觉负后像现象，由此，notch noise是产生听觉负后像的主要因素。由此，notch noise的特殊性，引起了很多研究者的兴趣。本研究主要以notch noise为研究刺激材料，在前人研究的基础上，试图探究持续1小时以上的notch noise作用下，采用非侵入式的脑成像技术，事件相关电位(ERP)的方法，借此探究个体大脑的状态在持续1小时的notch noise作用下有何变化。前人相关研究中的notch noise都只是作用短暂的1s或几秒，本研究试图延长notch noise的作用时间为持续1小时以上，借助ERP的方法探究大脑的微状态及相关脑电指标的变化情况。

1 方法

1.1 被试

被试全部来自某高校大学生，为自愿报名参加实验，实验前练习实验程序，等熟悉实验程序后方开始正式实验，实验前所有被试签订实验知情书。实验后给予一定的报酬。被试平均年龄为22.3(年)，女23人，男26人。本次实验收集了49个被试的脑电数据。

1.2 工具

1.2.1 脑电记录和分析系统

运用脑电放大器 SynAmpsRT 64-Channel Amplifier和美国Neuroscan脑电采集及分析软件Scan 4.3；电极帽为Quik-Cap 64的脑电记录系统。BrainProducts公司的actichamp型号的ERP记录仪器,采用国际10-20系统扩展的64导电极帽记录被试的脑电活动情况(EEG)。在进行数据记录时,左右参考电极分别置于双侧乳突,接地点位于前额FPz和Fz的中点处。实验前要求每个被试清洁头发，并用尺子测量好被试脑袋的矢状线和冠状线的尺寸，按照10-20系统计算出前额FPz的位置和枕叶隆凸Oz的位置，每个电极处头皮和电极之间的阻抗均小于5 kΩ。实验过程中的滤波带通为DC0.05～80 Hz,采样频率为500 Hz/导。

使用德国BrainProducts公司的ERP数据分析系统BrainVisionAnalyzer2.1,对所得ERP数据进行离线式(off-line)叠加处理。数据分析时以双侧乳突的平均值为参考,滤波带通为0.01～30 Hz,波幅大于±200 μV的脑电波被视为伪迹自动剔除。分析时程为1 200 ms,其中以刺激呈现前200 ms作为基线,刺激呈现后的1 000 ms为反应阶段。频谱分析主要集中在6个中线位置Fz、FCz、Cz、Pz、POz和Oz。

1.2.2 音频编辑软件

音频编辑软件 Adobe Audition 3.0，先用软件生成一个noise，然后根据一定参数做出不同的notch noise,其中以4 kHz带宽的notch noise[2 667 Hz，5 333 Hz]做成呈现2 000 ms的notch noise。最终实验时耳机的声音大小用Overload的声级器，型号为AWA5661,耳机声音用声级器调节为50dB SPL大小。

1.3 程序

实验分三个阶段：

1.3.1 第一个阶段——行为实验阶段

Noise1以1 s呈现并且每个Noise之间都相隔1 s，选取7个Noise为一组，组成一个序列“小火车”；Notch noise1也以1 s呈现，每个Notch noise之间也都相隔1 s，同样选取7个Notch noise为一组，也组成一个序列“小火车”。两列不同的“小火车”序列前后顺序随机排列，如下图所示：

Noise

Notch noise

Notch noise序列“小火车”，呈现1 ms，间隔1 ms

Noise序列“小火车”，呈现1 ms,间隔1 ms

Noise和Notch noise前后随机呈现序列

Notch noise序列“小火车”和Noise序列“小火车”随机分前后呈现，让被试戴上耳机注意听，认为前一段有纯音的按键“1”，认为后一段有纯音的按键“2”。a.阴性组听不到notch noise序列小火车中有纯音；b.阳性组能听到notch noise序列小火车中有纯音。实质上notch noise序列小火车中是没有纯音信号的，阳性组出现了由于notch noise信道源引发的听觉负后像现象。

1.3.2 第二个阶段——notch noise持续1小时以上刺激

先让被试睁眼5分钟，安静坐着，记录被试静息睁眼脑电波。接着让被试闭眼5分钟，安静坐着，记录被试静息闭眼脑电波。而后开始实验的第二个阶段。

以4 kHz带宽的notch noise[2667Hz，5333Hz]做成呈现2000 ms的notch noise，让被试看无声电影，同时戴上耳机听notch noise持续1小时以上。

1.3.3 第三个阶段——听纯音刺激

让被试继续看无声电影，同时听500Hz和700Hz的纯音半个小时，记录脑电信号。而后再记录被试睁眼静息脑电5分钟和闭眼静息脑电5分钟。实验结束。

实验三个阶段如下程序图1：

图1 实验三个阶段

2 结果

2.1 行为数据结果

行为学实验结果判断被试是否有听觉负后像现象。实验刺激是Notch noise序列“小火车”和Noise序列“小火车”随机分前后呈现，让被试戴上耳机注意听，认为前一段有纯音的按键“1”，认为后一段有纯音的按键“2”。a.阴性组听不到notch noise序列小火车中有纯音；b.阳性组能听到notch noise序列小火车中有纯音。结果参加实验的被试全部为阴性组，即没有在Notch noise序列“小火车”中听到纯音，即没有出现预设的听觉负后像现象，故行为学实验结果对纯音识别的正确率是50%。

2.2 脑电数据结果

频谱分析主要集中在6个中线位置——Fz、FCz、Cz、Pz、POz、Oz,探究静息脑电前后α波和β波的变化；其中用于峰值识别的部位和相应的延迟窗口包括：P100(80-180 ms)；P2(80-180 ms)P300(270-550 ms)；同时考查150-250 ms时间范围内出现的负波MMN的脑电数据和晚成分(LPP)时间窗(350-600 ms和600-1 000 ms)的情况。

2.2.1 静息脑电前后功率分析

α波(7.5～12.5 Hz)：实验前静息闭眼脑电和听Notch noise后静息闭眼脑电的功率值在Fz点有显著差异，t(1,6)=10.038,p=0.063，p<0.1。实验前静息睁眼脑电和听Notch noise后静息睁眼脑电的功率值在Fz点有显著差异，t(1,6)=8.846,p=0.072，p<0.1；Cz点有显著差异，t(1,6)=22.828,p=0.028，p<0.1；Pz点有显著差异，t(1,6)=15.747,p=0.040，p<0.1；POz点有显著差异，t(1,6)=7.955,p=0.080，p<0.1。

β波(14～30Hz)：实验前静息闭眼脑电和听Notch noise后静息闭眼脑电的功率值在Fz点有显著差异，t(1,6)=9.215,p=0.069，p<0.1；Cz点有显著差异，t(1,6)=12.401,p=0.051，p<0.1；Oz点有显著差异，t(1,6)=34.053,p=0.019，p<0.1。实验前静息睁眼脑电和听Notch noise后静息睁眼脑电的功率值在Fz点有显著差异，t(1,6)=58.712,p=0.011，p<0.1；Cz点有显著差异，t(1,6)=8.016,p=0.079，p<0.1；Pz点有显著差异，t(1,6)=11.831,p=0.054，p<0.1；POz点有显著差异，t(1,6)=14.061,p=0.045，p<0.1；Oz点有显著差异，t(1,6)=6.738,p=0.094，p<0.1。

静息脑电前后频谱图如下图2：

图2 静息脑电前后频谱分析图

2.2.2 大脑MMN的状态

持续听1小时的Notch noise之后，让被试紧接着听500 Hz和700 Hz的纯音，其中采用经典的被动oddball范式，500 Hz纯音是标准刺激，700 Hz纯音是偏差刺激，纯音实验大约40分钟，包含了1 800个刺激。其中标准刺激出现的概率是87.5%，偏差刺激出现的概率是12.5。被试继续看无声电影，同时记录被试的脑电。

结果显示，被试在后期oddball范式中500 Hz和700 Hz的纯音阶段，Fz、Pz、Cz、Oz、POz、FCz点均出现了MMN(150～250 ms)。这和之前没有持续听1小时Notch noise的被试对于oddball范式中500 Hz和700 Hz的纯音结果是一致的，说明持续听1小时Notch noise并没有对oddball范式中500 Hz和700 Hz的纯音阶段的大脑的MMN变化造成影响。但是从脑电波形看，Fz、Cz、POz、Pz和Oz五个电极点的MMN均出现在大约210 ms左右，而FCz点的MMN出现在大约130 ms左右。如下图3所示.

图3 Fz、Pz、Cz、Oz、POz、FCz点MMN(150～250 ms)情况

2.2.3 P1

持续听1小时的Notch noise过程中和纯音测试阶段的P1波形中，Cz点有显著性差异，t(1,6)=14.633,p=0.043，p<0.1；Pz点有显著性差异，t(1,6)=9.149,p=0.069，p<0.1。

2.2.4 P2

持续听1小时的Notch noise过程中和纯音测试阶段的P2波形中，Pz点有显著性差异，t(1,6)=15.119,p=0.042，p<0.1；Oz点有显著性差异，t(1,6)=8.158,p=0.074，p<0.1。

2.2.5 P300

持续听1小时的Notch noise过程中和纯音测试阶段的P300波形中，Pz点有显著性差异，t(1,6)=7.115,p=0.089，p<0.1。

2.2.6 P6

持续听1小时的Notch noise过程中和纯音测试阶段的P6波形中，Pz点有显著性差异，t(1,6)=8.620,p=0.074，p<0.1。

2.2.7 P9

持续听1小时的Notch noise后，在纯音测试阶段在时间窗600-1000 ms晚成分在Fz、Cz和CPz点大约在900 ms均出现一个差异波形，但在持续听1小时的Notch noise的过程中却没有出现这个晚成分波形，如图4所示.其中Pz点差异最为显著，t(1,6)=7.011,p=0.090，p<0.1。

图4 Fz、Cz、CPz点晚成分(600～1000 ms)差异波

3 讨论

3.1 行为数据讨论

行为学实验结果对纯音识别的正确率是50%，说明本次参加实验的被试全部为阴性组，即没有在Notch noise刺激下出现听觉负后像现象。

3.2 脑电数据讨论

3.2.1 静息脑电前后功率的讨论

持续听1小时的Notch noise之后，静息脑电α波和β波的频谱分析在Fz、Cz、Pz、POz、Oz均出现了显著性变化，说明1小时的Notch noise对于大脑的影响是明显的，虽然这些被试在参加实验的行为数据中都为阴性组被试，但是在脑电实验阶段大脑的静息脑电在Notch noise持续长时的影响下，发生了显著变化。

3.2.2 MMN的讨论

持续听1小时的Notch noise之后，被试在后期oddball范式中500 Hz和700 Hz的纯音阶段，Fz、Pz、Cz、Oz、POz、FCz点依然出现了MMN(150～250 ms)，说明1小时的Notch noise对被试纯音的识别的影响不大，也可能是本次参加实验的被试全部是阴性组(实验前行为数据结果)，本身对Notch noise不敏感的原因。另FCz点的MMN比其他5个电极点的时间窗口有所提前，可能是因为前额叶对Notch noise的加工更活跃。

3.2.3 其他脑电成分

P1、P2、P300、P6、P9均在Pz点表现出显著性差异，Pz点在后枕顶位置，是与听觉有关的中线位置电极点，说明1小时的Notch noise和纯音听觉信息都对被试产生了影响，其中P6和P9两个晚成分出现了显著差异，晚成分表明了情绪的变化，说明声音信息1小时的Notch noise作用之后对被试情绪产生了一定影响。Notch noise是产生听觉负后像的条件，虽然本次实验所有被试在行为实验阶段均表现出阴性组，但是后期1小时的Notch noise Pz点在这些脑电成分上表现出的显著性差异，说明1小时的Notch noise还是对被试产生了一定影响，尤其在情绪方面。已有研究表明听觉负后像与耳鸣有一定关系，故本次研究结论表明持续的Notch noise与耳鸣在个体情绪这个心理层面产生一定影响，这为耳鸣患者心理干预提供了一定的研究方向。