EEG&ERP研究：利他林对持续性注意神经信号的影响

    虽然已确定利他林（Methylphenidate, MPH）能增强持续性注意，但此效应的神经机制仍不清楚。爱尔兰都柏林三一学院神经科学学院和心理学学院Paul M. Dockree等人在Biological Psychiatry发表文章，探讨MPH 是如何影响不同时间尺度上注意力减退的电生理指标。

    方法：

   研究要求健康被试（n = 40）完成连续时间预期任务（Continuous Temporal Expectancy Task，CTET）来诱发注意缺失，与安慰剂相比较，MPH对这些被试的行为和EEG指标的影响。

    结果：

   1）MPH导致目标觉察率增加。

    2）长时程：MPH造成任务中alpha活动的整体抑制，通过减少alpha变化，降低了这些不适应目标增加的频率。

    3）短时程：在刺激呈现前3到4s观察到，额叶P3成分的振幅也呈药物相关的线性增长。

    4）目标加工过程中：顶叶P3波幅随MPH的增加而显著增加。

    5）早期视觉加工过程中（视觉P1和25Hz稳态视觉诱发电位[SSVEP]），与MPH相关的增强没有明显改变。

    结论：

   MPH通过选择性地作用于自上而下的内源性机制（这些内源性机制支持持续性注意和目标觉察，对自下而上的感觉兴奋性没有显著影响），来减少注意缺失的非匹配EEG指标。这些发现为监测精神兴奋剂的治疗效果或预测治疗反应提供了初步指标。
   关键词：EEG振荡、不注意、知觉决策、精神兴奋剂、利他林、任务反应时减少 

    方法和材料

   被试：40名男性被试参与实验，平均年龄24.3±5.6。

    研究设计和药物使用：

    采用单因素被试内设计（服用药物：MPH vs. ATM vs. CIT vs. PLA），每个被试在1周内完成4个sessions。每个session，被试需服用MPH（30mg，多巴胺和去甲肾上腺素混合作用）、阿托西汀（ATM，60mg，主要是去甲肾上腺素）、西酞普兰（CIT，30mg，主要是5-羟色胺能）、或者PLA（葡萄糖[安慰剂]）的蓝色胶囊（注意：每个session被试仅服用其中一种药物）。药物服用顺序经过随机、双盲、PLA-控制。在给药后90min开始认知测试。认知测试采用连续时间预期任务，用来追踪内源加工过程（Figure 1）。

Figure 1. CTET任务示意图。

    刺激呈现在屏幕中央，在每帧变化中，刺激随机顺时针或逆时针旋转90°，实验要求被试监测方向转换，并在发现不常见的目标时按键（不常见目标的持续时间 [1120ms] 比标准非目标转换时间[800ms] 长）。因此，区分目标刺激和非目标刺激需要持续监测，这一过程对持续性注意的要求很高，并导致了注意力的频繁缺失。为了避免眼动，要求被试注视屏幕中央的白色“十”字。刺激还以25Hz的速度闪烁，产生一个作为初级视觉加工的SSVEP测量。刺激伪随机，每个刺激呈现之间有7-15个非目标帧，相当于目标之间有5.6-12s间隔，每个block具有225帧，18-22个目标，被试完成10个block。

 

   行为分析：

    1）在4种条件下（MPH vs. ATM vs. CIT vs. PLA），分析正确识别目标的比例。

    2）所有后续分析都集中在MPH和PLA条件之间的直接比较，用以分离与MPH相关的行为和大脑皮层变化。

    3）计算平均监测延迟，并计算出变异系数（标准差/平均监测延迟）作为目标监测的响应变异性度量。

   4）使用视觉模拟量表（Visual analogue scale, VAS）测量警觉性（得分见补充Table1）。被试每个session完成3次VAS：给药前（第一次）、服药90min后（先于认知测验前，第二次）、再180min后（测验结束后，第三次）。

补充Table 1 使用视觉模拟量表（VAS）来测量被试的警觉性。此评分值越高，警觉性越低。

   EEG记录及分析：64导，在线采样率为1024Hz，记录垂直和水平眼电。使用MATLAB和EEGLAB分析数据。预处理包括：重采样为512Hz；40Hz的低通滤波；采用全脑平均进行重参考；删除超过100 uV的试次。为证明效应是由注意缺失而不是闪烁引起，研究者扫描每个目标试次前的4s时间间隔，并在所有分析中删除8个或8个以上通道具有明显伪迹（100 uV）的试次。

      EEG频谱的长时程分析：对CTET 10个blocks的标准帧进行快速傅里叶变换。提取以标准帧为零点，刺激前80ms至刺激后800 ms的频谱。获得每种药物条件（MPH和PLA）在alpha频段（8-14Hz）和SSVEP（25Hz）的活动。测量顶叶、枕叶电极（CPz, Pz, 和POz）的alpha振幅；测量枕叶中部电极（Oz）的SSVEP波幅。采用配对样本T检验，比较不同药物条件的alpha频段、SSVEP振幅和alpha振幅变异性（SD/均值）的差异。

   刺激前的短时程分析：在包括4个标准帧和随后目标刺激的4s时间内，测量ERP以及EEG振荡活动。采用快速傅里叶变换得到了以目标刺激为零点，刺激前-3200ms至刺激后800ms时间段的alpha频段（8-14 Hz）和SSVEP（25 Hz）频谱。从上述相同的头皮部位进行了振幅测量。以-280-0ms为基线对数据进行基线矫正。提取与刺激前基线活动有关的各ROI成分的峰振幅测量值。

    1）视觉P1：时间窗为95-135ms，电极点为枕叶区电极点平均（O1, Oz, 和O2）。

    2）额叶正成分P3：时间窗为225-285ms，电极点为额叶区电极点平均（FC1, FCz, 和FC2）。MPH的平均试次数为46.38，PLA的平均试次数为50.34。两种药物条件的试次数无统计学差异（t < 1）。
   目标阶段分析：以目标帧为零点，将数据分为-100-2000ms的时间段，并且根据药物（MPH或PLA）和正确率（击中或漏报）分别平均相同条件试次。对试次进行基线校正，删除波幅绝对值大于100 uV的试次。通过视觉观察总平均波形图和头皮地形图确定顶叶P3成分，并测量Pz电极点。用于测量成分峰振幅的延迟窗口为目标帧开始后1250-1800 ms。计算P3信号达到其峰值一半的时间点作为P3成分的潜伏期。利用变异系数（峰振幅变异性/平均振幅）计算P3峰潜伏期变异性。
   贝叶斯因子计算：对初级视觉加工敏感的两个成分（SSVEP和视觉P1）在MPH和PLA条件之间均无显著性差异。为确定数据是否更倾向于零假设，而不是备择假设，研究者使用贝叶斯因子（B）分析重新进行检验。B值小于1/3表示支持零假设，B值大于3表示支持备择假设。B介于1/3和3之间，表示数据对区分零假设和备择假设不敏感。 

    结果

   行为结果：

1）所有药物对目标觉察比例都有显著的影响（n = 33）（table 1）。MPH比ATM和CIT具有更高的目标觉察比例。ATM与PLA差异不显著。CIT比PLA的目标觉察比例稍低，但未通过bonferroni矫正。

2）随后仅限于MPH和PLA的分析显示（n = 36），与PLA条件相比，在MPH条件下，被试的RT变异系数降低（table 2, figure S2）。

3）为检验目标觉察准确性的任务时间效应，执行2（药物：MPH vs. PLA）×10（block：1-10）的重复测量方差分析。结果显示随着时间的推移，PLA条件下的表现具有明显的下降，但MPH条件无此现象（figure S1a）。

4）对VAS警觉性等级进行重复测量方差分析。结果显示与MPH相比，所有条件的主观警觉性都有更大幅度的下降。相关分析显示行为效应大小（MPH-PLA）与主观警觉性变化（MPH-PLA）无相关性。当将主观警觉性差异作为协变量时，MPH和PLA条件的统计学差异仍然存在。

Table 1. 不同药物条件下目标检测的比例

Table 2. MLH（利他林）与PLA（葡萄糖[安慰剂]）条件之间的行为表现比例

Figure S1. A. 在CTET任务的10个blocks之间，目标击中的数量与药物条件（MPH或PLA）有关。B.相同10个blocks之间，每种药物条件下alpha振幅的调节。

Figure S2. 从最低到最高的基线表现（绿条从左到右）。蓝条说明药物的变化程度。蓝条负值是指服用安慰剂比服用MPH效果更好的病例。

 

   EEG分析--药物对EEG频谱的长时程影响：首先研究在整个任务中由MPH引起的EEG频谱变化，即平均所有非目标帧数据（n = 32）（figure 2）。

    1）顶叶alpha（8-12Hz）：与PLA条件相比，MPH条件下的平均alpha振幅更低，平均alpha振幅变异性更小。

    2）对平均alpha波幅进行药物×block分析，结果发现alpha波幅从block2的最低波幅上升到最后一个block的最高波幅（figure S1b）。

    3）SSVEP（25Hz）：药物对枕叶SSVEP波幅的影响不显著，表明MPH对初级视觉加工无显著影响。然而，贝叶斯分析并不支持零假设（药物不影响枕叶SSVEP波幅）。

       Figure 2. A. 快速傅里叶变换结果显示，与PLA条件相比，MPH条件下，alpha频段波幅的抑制作用（8-12Hz，Pz）。alpha频带振幅变异性（SD/M）表明MPH降低了绝大多数被试的alpha信号变异性。B. 快速傅里叶变换显示SSVEP（25 Hz，Oz）在MPH与PLA条件下的相似性。

 

   EEG分析—刺激前的短期药物效应：药物作用下，在目标呈现前4s内分析频谱和ERP波幅变化的差异（n = 29）（figure 3和4）。

    1）顶叶alpha（8-12Hz）：2（药物：MPH vs. PLA）×2（准确性：击中 vs. 漏报）的方差分析表明与目标漏报相比，目标击中前诱发更小的alpha波幅；与PLA条件相比，MPH条件下的目标诱发更小的alpha波幅。

    2）SSVEP（25Hz）：差异均不显著。

    3）额叶P3：对P3峰波幅进行2（药物：MPH vs. PLA）×2（正确率：击中 vs. 漏报）×5（帧：标准-4 vs. 标准-3 vs. 标准-2 vs. 标准-1 vs. 目标帧）的方差分析[备注：本实验中，刺激随机顺时针或逆时针旋转90°，所以标准帧有四类—0°、90°、180°、270°，这四类都是非目标帧]。结果显示击中前比漏报前诱发更大的P3峰波幅。药物×目标帧的交互作用显著。多重比较发现，在MPH条件下，P3波幅在非目标帧之间呈线性增长趋势，而PLA条件下则不存在这一趋势。与PLA条件相比，MPH条件下，不同目标帧之间的P3波幅增加有显著差异。

    4）枕叶P1：对P1峰波幅进行2（药物：MPH vs. PLA）×2（正确率：击中 vs. 漏报）×5（帧：标准-4 vs. 标准-3 vs. 标准-2 vs. 标准-1 vs. 目标帧）的方差分析。结果显示药物的主效应不显著。贝叶斯分析证明无证据支持零假设（条件之间没有差别）。

Figure 3. A. 快速傅里叶变换显示与漏报相比，击中的刺激前4s时间窗中，alpha频带波幅（8-14Hz）的抑制更强。在此期间，MPH比PLA的抑制作用也更强（Pz）。B. 快速傅里叶变换显示先于击中的4s时间窗中，不同正确率或药物条件之间的SSVEP（25Hz）均无改变（Oz）。

    Figure 4. A.在目标前的4s间隔内5帧的额叶P3成分的总平均波形。P3可预测正确率，即在击中前表现出比漏报前更大的P3峰振幅。在MPH条件下，P3振幅在各帧间呈系统的线性增加，而在PLA条件下则无明显线性增加。在最后目标帧上，MPH和PLA之间的差异很明显。B.在目标前4s间隔内，枕叶P1成分的总平均波形。不同正确率或药物条件间，P1成分无变化。如果您对EEG/ERP数据处理感兴趣，

   EEG分析--药物对目标加工过程的影响：为探讨药物和准确性对目标加工过程的影响，用2×3×2 ANOVAs分析顶叶P3成分的3个指标：峰振幅、峰潜伏期变异性和起始潜伏期（figure 5）。

    1）顶叶P3峰振幅：目标击中比漏报诱发更大的峰波幅；MPH条件比PLA条件诱发更大的峰波幅。

    2）顶叶P3起始潜伏期：击中比漏报诱发更早的起始潜伏期。

    3）顶叶P3峰潜伏期变异性：目标击中比漏报具有更小的峰潜伏期变异性。

Figure 5. 以目标呈现为零点的顶叶P3成分的总平均波形图（Pz）和地形图。MPH条件比PLA条件诱发更大的P3峰振幅。目标击中比目标漏报条件诱发更大的峰振幅。目标击中比目标漏报诱发更早的起始潜伏期。药物对P3的起始潜伏期没有显著影响。

 

   总结：

   本研究探讨MPH对引起注意缺失的EEG指标的调节作用，MPH（利他林）对多巴胺和去甲肾上腺素的间接兴奋作用影响了不同时间尺度上持续性注意的EEG。研究发现MPH对alpha波幅的抑制作用以及alpha波幅的变异性减少，表明在较长时间尺度上被试维持警觉。研究在较短时间尺度上发现MPH增强与任务相关内源性过程的P3成分。然而，在这两个时间尺度上，缺少与MPH相关的自下而上早期视觉加工的改变（枕叶P1，SSVEP [25 Hz]）。这些发现表明EEG的特异性，这一特异性证明MPH可提高持续性注意和决策，为临床注意障碍的治疗提供初步指标。  

原文：

Dockree, P. M., Barnes, J. J., Matthews, N.,Dean, A. J., Abe, R., Nandam, L. S., ... & O’Connell, R. G. (2017). Theeffects of methylphenidate on the neural signatures of sustainedattention. Biological Psychiatry, 82(9), 687-694.

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