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fNIRS:3-8个月大的婴儿面孔加工研究
发布者:admin 发布时间:2018/12/25

来自日本中央大学心理学系的研究团队在NeuroImage期刊上发表了对3-8个月龄的婴儿进行的视图不变面孔加工的追踪研究。视图不变的面孔加工在生命早期就出现了。之前的研究采用近红外光谱技术测量了婴儿的双侧颞区(该脑区参与面孔加工)对正面和侧面视图面孔的血氧动力学响应,发现5个月大的婴儿对正面面孔的血氧响应增加,而对侧面面孔的血氧响应却没有增加,相比之下,8个月大的婴儿对侧面面孔和正面面孔的血氧响应都增加。

本研究采用与之前研究中相同的方法追踪测量了14名婴儿在3-8个月龄的每个年龄对正面和侧面面孔的双侧颞区的血氧动力学响应,来探索在视图不变面孔加工的发展过程中的个体差异。使用线性回归函数对每个年龄段每个婴儿对于正面和侧面面孔的血氧动力学响应进行建模。

结果发现,相比正面面孔,对侧面面孔的加工出现得较晚且血氧动力学响应提高的更大。3个月大时,面部加工的提高速度与对面孔的血氧动力学响应之间存在一种反比关系。对侧面面孔的加工出现在56个月的年龄之间。婴儿对视图不变的面孔加工首先是针对正面面孔的发展,随后出现对侧面面孔的加工。


关键词:婴儿,追踪研究,面孔加工,视图依赖,近红外,线性回归分析


方法

被试

研究对象为14名健康婴儿(11名男孩和3名女孩)。两名婴儿由于可用试次数量不足(正面条件和侧面条件都少于3个试次)或运动伪影而被排除在最终的分析之外。书面知情同意书从婴儿被试的父母那里获得。


刺激与设计

使用的刺激和研究设计与先前的研究相同。刺激呈现包括测试期和基线期。测试期间的刺激是5位女性正面视图面孔和侧面视图面孔的全彩照片(1)。对一半婴儿呈现右侧的侧面视图,对另一半婴儿呈现左侧的侧面视图。面部刺激的大小大约为17.5°×21°,植物刺激的大小为16.8°×16.8°。

1. 实验程序。在每个试次中,基线期包括5种蔬菜图像的呈现。基线期的持续时间至少为10秒。测试期包括5位女性正面视图面孔和侧面视图面孔图像的呈现。测试期持续时间为5秒。对于每名婴儿,测试期1和测试期2的呈现顺序是变化的。


在每个试次中,5张面孔在正面或侧面条件下以1Hz的速率随机呈现。正面视图和侧面视图的面孔在交替试次中呈现。一半的试次呈现正面视图的面孔,另一半的试次呈现侧面视图的试次。这两种条件的顺序在婴儿间平衡。每个测试期的总持续时间固定为5 秒。

每个测试期都紧随至少10 秒的基线期。在基线期,5种蔬菜以1Hz的速率按随机顺序呈现。为了比较对面孔(在测试期)和对蔬菜(在基线期)的血氧动力学响应,要确保婴儿在观察面孔之前持续地观看蔬菜3s钟。为此,实验者在基线期开始后观察婴儿的行为10秒,并在确认婴儿已经持续观看显示器上的蔬菜3 秒时终止基线期。观察蔬菜所得结果作为基线数据。

在基线期和测试期,刺激的持续时间均为800 毫秒,并且在200毫秒的刺激间的间隔期内呈现一个小的红色十字架。为了吸引和维持婴儿的注意力,面孔和蔬菜刺激都伴随着1Hz的哔哔声。两种不同的声音用于面孔刺激和蔬菜,并且这些声音用于正面和侧面的条件。声音和视觉刺激之间的关系在婴儿间平衡。


设备和程序

本研究使用的程序和仪器与之前的研究相同。在整个实验中,所有刺激都显示在一个22英寸彩色阴极射线管(CRT)显示屏上,其分辨率为1024×768像素,由电脑控制。婴儿和CRT显示屏位于一个由铁杆制成并用布覆盖的外壳内。婴儿与显示屏之间的距离约为40厘米。有两个扬声器,分别在CRT显示器的两侧。在显示屏幕下方有一个电荷耦合器件(CCD)摄像机。在整个实验过程中,使用这台摄像机对婴儿的行为进行了录像。实验人员可以通过连接针孔摄像机的视频监视器来观察婴儿的行为。

每个婴儿都坐在实验者的腿上,面对电脑屏幕接受测试。在测量婴儿的大脑活动时,他们被动地观看这些刺激,并且只要他们愿意,他们就可以观看这些刺激。


近红外记录

研究人员使用时间分辨率为0.1秒的的24通道日立ETG-4000系统测量了氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总的血红蛋白浓度的血氧动力学变化情况。在左侧和右侧颞区分别分配12个通道进行测量。穿过头骨投射两个波长的近红外光(695830纳米)。每个通道的近红外光照强度为0.4 毫瓦。

NIRS光极板包含9根光纤(3×3阵列),由5个发射光极和4个接收光极组成。使用软硅支架将光纤保持在适当位置。发射光极与接收光极之间的距离为2cm。每一对相邻的发射和接收光极界定一个测量通道。按照国际10-20系统,将光极板分别放置在以T5T6为中心的双侧颞区的相同位置。

在放置光极板时,实验者确保光极正确地接触到每个婴儿的头皮。日立ETG-4000系统自动检测接触是否充分能够测量每个通道中出现的光子。由于头发干扰导致光极与婴儿头皮无法充分接触的通道将被排除在分析之外。


数据分析

在进行数据分析之前,研究人员监测了婴儿行为的录像带记录,以确定用于统计分析的有效试次。当发生以下任何一种情况时,试次就被排除在分析之外:当婴儿将目光从面孔刺激上移开或变得挑剔时,当婴儿在实验期间回头看实验者的面孔时,或者当通过分析原始NIRS数据在时间序列上的急剧变化而检测到运动伪影时。

对来自个体通道的原始氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总的血红蛋白的数据进行0.02-2.0 Hz的带通滤波,以去除由于心跳脉动或纵向信号漂移引起的噪音。对于一个被试的每个通道的原始数据,在从测试期开始前1秒到测试期结束后1秒的时间序列中取跨试次的平均值。使用原始的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总的血红蛋白数据的时间序列来计算每个时间点的z分数,以检查呈现面孔时的血氧动力学响应与基线期呈现蔬菜图像时的响应的差异。对于每个被试的每个通道,分别计算了正面和侧面条件下的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总的血红蛋白的z分数。z分数的计算公式如下:d = (mtest -  mbaseline)/ sd

mtest表示在测试期间每个时间点的平均原始数据,mbaseline表示基线期间平均原始数据的均值。sd表示基线期间数据的标准差。用来计算z分数的基线是每个测试期开始之前紧挨着的1秒的时间段,其反映了在观看蔬菜图像期间的激活情况。对每个测量区域内的12个通道的z值取平均值,以提高信噪比。通道1-12的数据来自左侧颞区,通道13-24的数据来自右侧颞区。

和之前的研究一样,我们平均了面孔刺激开始后4-5秒时间段内的z分数。在左右两个颞区,对测试期面孔刺激开始后的4-5秒的平均z分数上进行双尾单样本t检验随机水平为0(基线)。由于本研究的目的是描绘每个被试的发展轨迹,所以对每个参与者的z分数都进行线性回归分析,其中年龄作为回归变量。在之前的研究中观察到实验条件之间的差异和左右半球之间的差异。因此,该研究对每个实验条件和每个半球分别进行回归分析。此外,为了研究线性回归曲线图中的个体差异,对嵌入在线性回归模型中的参数也进行了分析。该研究只关注氧合血红蛋白的数据,因此,在此仅报告对氧合血红蛋白血氧动力学数据的分析。


结果

该研究分析了14名婴儿的血氧动力学响应,在每一个测量时间点,无论是在正面视图条件下还是在侧面视图条件下这些婴儿都观看了两个或更多试次的刺激。有效试次的平均数量见1。以条件和年龄为因素,对有效试次的数量进行了方差分析。结果发现试次的平均数量在不同的条件之间或不同的年龄之间均没有显著的差异。

1.  有效试次数量的均值和标准差。

为了用该研究追踪的NIRS测量数据来解释视图不变的面孔加工发展的个体差异,进行了对面孔的血氧动力学响应和婴儿接受测试时的年龄之间关系的线性回归分析。通过对每个月和对每种条件计算刺激开始后4-5秒的跨试次的平均z分数来求取每个婴儿在每种情况下的血氧动力学响应。

对于正面和侧面条件以及右侧和左侧颞区,拟合了一个线性回归模型,并计算了斜率(a)和截距(b)。线性回归模型的斜率(a)表示每个月血流动力学响应的增加,相比斜率较小的模型而言,斜率更大的模型会预测对面孔更大的血氧动力学响应。线性回归模型的截距(b)表示3个月大时对面孔的血氧动力学响应,与截距较小的模型相比,截距更大的模型预测3个月时血氧动力学响应更大。

2表示每个被试在正面和侧面条件下3个月和8个月之间每个年龄的左侧和右侧颞区的氧合血红蛋白浓度的z分数。回归模型y = ax + b中的斜率a在侧面条件下相比正面条件下更大。

2. 每个被试在3-8个月大时氧合血红蛋白浓度的z分数。个体的图对应于每个被试。纵轴表示z分数,横轴表示年龄。


2包含斜率和截距的估计值。在右侧颞区14名婴儿中有11名和在左侧颞区有12名婴儿都表现出在侧面条件下线性回归模型中的斜率大于在正面条件下的斜率。对截距的2因素[条件(正面视图、侧面视图)和测量脑区(右侧、左侧)]进行重复测量ANOVA分析显示了条件的显著主效应,p = .027。


2. 对于每个被试的线性回归模型,斜率(a)和截距(b)的估计值y = ax + b。检查标记表明,在模型中,正面条件下的斜率或截距值小于侧面条件下的斜率或截距值。

针对发展轨迹的个体差异,进一步分析了模型的斜率和截距参数的分布。绘制斜率为y值,截距为x值,如3所示。正如表示参数分布的每个散点图所示,斜率与截距呈负相关关系(正面条件下左侧颞区,Pearson’s r = - 0.79, p = .00;正面条件下右侧颞区r = - 0.88, p = .00;侧面条件下左侧颞区r = - 0.96, p = .00;侧面条件下右侧颞区r = - 0.54, p = .46)。

  

 

3. 线性回归模型中嵌入的斜率和截距参数的散点图。在每一个图中,纵轴表示斜率,横轴表示截距。绿线表示第一个主成分,代表数据的最大方差。每个点代表一个被试。


为了说明斜率与截距之间的相关性在多大程度上解释了个体差异的变异数,研究人员对斜率与截距对进行了主成分分析。3中的绿线表示第一个主成分,代表数据的最大方差。第一主成分解释了正面条件下左侧颞区模型参数分布中的98.3%的变化,解释了正面条件下右侧颞区模型参数分布中的98.9%的变化,解释了侧面条件下左侧颞区模型参数分布中的99.6%的变化,并解释了侧面条件下右侧颞区模型参数分布中的93.6%的变化。

为了探查该研究中用于婴儿的回归模型的一般趋势,所有14名被试的氧合血红蛋白浓度的z分数被绘制为年龄的函数(4)。与上述数据分析一致,相比正面视图条件,侧面视图条件下的回归线具有更大的斜率和更小的截距。研究人员还计算了x轴截距,表示预测血氧动力学响应等于基线值0的时间点。正面条件下线性回归模型中的x轴截距小于3个月(左侧颞区的模型 = - 2.43,右侧颞区的模型 = - 1.65),并且侧面条件下线性回归模型中的x轴截距接近5个月(左侧颞区的模型 = 5.79,右侧颞区的模型 = 5.28)。

4. 氧合血红蛋白的浓度作为年龄的函数。每个点代表每个年龄的一个被试,并且映射了14点。每个被试在图中由6个点表示。红线表示每个散点图的回归线。


一句话总结:该研究结果表明,对侧面面孔的加工出现在出生后8个月之前,且在3个月大时婴儿对侧面面孔加工的发展速度与对面孔血氧动力学响应的程度成反比。


参考文献:

A longitudinal study of infant view-invariant face processing during thefirst 3–8 months of life

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