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研究背景

事件相關電位 (ERP) 曾用于確認快速光信號 (fast optical signal, FOS) 的存在，但驗證方法主要限于探索 FOS 峰值與 ERP 峰值的時間對應關系。本研究的目的是在時域和頻域中系統地量化 FOS 和 ERP 對視覺Oddball任務的反應之間的關系。

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研究方法
 

2.1、被試

共15名有效被試被招募，其中男性5名，女性10名。
 

2.2、實驗材料

實驗包含視覺刺激。標準刺激為字母A,B,C,D，偏差刺激為愛因斯坦面孔圖片。
 

2.3、實驗過程

每個參與者參加了 2 次測試，測試間最多相隔 30 天。測試時，參與者坐在一個光線昏暗的房間里，面對著顯示任務范例的電腦屏幕。每個測試以 30 秒的基線期開始，在此期間，計算機屏幕上會出現一個注視十字，然后是 10 個視覺Oddball任務block。每個block包含 100 個試次。20%的刺激為偏差刺激。每個block之間休息時間由參與者決定。具體流程見圖1。

圖1. 實驗任務流程。
 

2.4、數據采集和處理

使用頻域近紅外光譜儀（來自 ISS Inc., Champaign, IL 的 Imagent Functional Brain Imaging System）以 62.5 Hz 的采樣率收集 NIRS 測量值。使用定制的皮革頭帶將 690 nm 和 830 nm 波長配對的五個激光二極管光源和 4 個光電倍增管探測器放置在參與者的前額上。頭帶上系著一塊黑布，以阻擋外界光線。源和檢測器位于 3 cm 距離處，如圖 2 所示。源-檢測器配置啟用了跨越前額葉皮層的每個波長的 11 個測量通道。
 

實驗需要分析來自 690 nm 和 830 nm 波長源的相位延遲和 DC 強度 FOS 測量值。相位數據是使用快速傅立葉變換 (FFT) 獲得的，針對相位纏繞進行校正，并參考相應的 690 nm 和 830 nm 中間通道 C3，以獲得相對相位延遲數據。
 

EEG數據由250 Hz 的采樣率收集。六個電極放置在選定的 International 10-10 系統位置的 NIRS 頭帶周圍，參考電極位于乳突，接地電極位于 AFz（圖 2）。用雙面膠將電極放置在參與者的皮膚上。

圖2. NIRS源-探測器和EEG導聯分布。

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實驗結果
 

3.1、ERP結果

平均了100個試次ERP波形在偏差刺激出現后200ms出現正波峰，在300-500ms后出現負波（圖3）。

圖3. 100個試次的ERP平均波形
 

3.2、FOS結果

當平均 400 個試次，DC 強度在偏差刺激呈現后 150 到 250 ms間降低。FOS 對偏差刺激的反應發生在左側前額葉皮層通道中，也發生在一些參與者最遠的右側通道中。
 

3.3、FOS-ERP的時間地標相關性

在 9 名參與者中發現了FOS 和 ERP 偏差刺激的峰值之間的非零相關性；然而，僅在 7 名參與者中發現了具有統計學意義的相關性（p < 0.05）。200 毫秒左右的 FOS 負峰與 6 名參與者的正 ERP 峰顯著相關。對于 1 名參與者，還發現 300 ms 處的負 ERP 與 275 ms 左右的負 FOS 峰值之間存在顯著相關性。
 

3.4、FOS-ERP 光譜關系

由偏差刺激引發的FOS 和 ERP 反應的一致性在 3-5 Hz 頻率范圍內具有統計學意義（p < 0.01）。圖 3 顯示了 2-20 Hz 頻率范圍內所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對的相干值示例。圖 4 中顯示了所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對于偏差刺激的響應之間的大平均相干性。 

圖4. 2-20 Hz 頻率范圍內所有 DC 830 nm FOS 和 ERP 通道對的相干值

圖5. 所有 FOS 通道的 FOS DC 830 nm 和 ERP 對于偏差刺激的響應之間的大平均相干性

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結論

這項研究量化了視覺Oddball任務期間前額葉皮層中 FOS 和 ERP 反應之間的相關性。通過NIRS 信號的直流強度測量，在 15 名參與者中的 10 名中發現了對偏差刺激的 FOS 反應。使用相位延遲測量未發現 FOS 響應。在 FOS DC 強度和 ERP 對視覺的反應之間的時域和頻域中發現了顯著的相關性。

Proulx, N., Samadani, A.A. and Chau, T., 2018. Quantifying fast optical signal and event-related potential relationships during a visual oddball task. Neuroimage, 178, pp.119-128.

DOI：10.1016/j.neuroimage.2018.05.031