应用视觉事件相关电位Nogo-P3评定屈光不正眼的视敏度
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Evaluation of Visual Acuity of Ametropia with Visual Event-Related Potential Nogo-P3 Component
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通讯作者: 刘技辉,男,教授,博士研究生导师,主要从事法医临床学鉴定与研究;E-mail:jhliu@cmu.edu.cn
编委: 陈捷敏
收稿日期: 2020-04-08
| 基金资助: |
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Received: 2020-04-08
作者简介 About authors
贾富全(1979—),男,博士,主要从事法医临床学鉴定与研究;E-mail:jiafuquan915@163.com
目的 分析视敏度加工过程中事件相关电位(event-related potential,ERP)的Nogo-P3,为视敏度的客观评定提供电生理学依据。 方法 选择除屈光不正外无其他眼病的受试者26名,双眼裸眼视力均为0.1,选用不同视角大小、不同开口方向的“E”图形作为刺激图片,ERP实验采用视觉Go/Nogo范式,Go刺激视角为1°15′,Nogo刺激视角分别为1°15′、55′、24′、15′,对被试者裸眼视力进行测试,分析Nogo-P3的特征。 结果 Nogo-P3潜伏期在Nogo刺激视角1°15′与55′、Nogo刺激视角24′与15′相比,差异无统计学意义;Nogo刺激视角1°15′与24′、15′相比,差异有统计学意义(P<0.05);Nogo刺激视角55′与24′、15′相比,差异有统计学意义(P<0.05)。Nogo-P3波幅在各Nogo刺激视角间差异无统计学意义。 结论 在Go/Nogo范式下,Nogo-P3能够反映被试者对Nogo刺激的认知反应,可用于视敏度的客观评估。
关键词:
Objective To analyze the Nogo-P3 component of event-related potential (ERP) in the process of visual acuity processing, to provide electrophysiological evidence for objective evaluation of visual acuity. Methods Twenty-six subjects with no other ocular diseases except for ametropia were recruited, and all subjects had uncorrected visual acuity both eyes 1/10 (evaluated using Monoyer chart). Block letter E with different visual angles and directions were used as graphic stimuli. The Go/Nogo paradigm was used for ERP studies. The visual angle of Go stimulation angle was 1°15′, Nogo stimuli were 1°15′, 55′, 24′ and 15′. The visual acuity test was performed on each of the two naked eyes separately in all subjects, and the characteristics of the Nogo-P3 component were analyzed. Results The latency of Nogo-P3 showed no difference between the stimuli of 1°15′ and 55′, and between Nogo stimulation angle 24′ and 15′. There was significant difference between Nogo stimulation angle 1°15′ and 24′, and between Nogo stimulation angle 1°15′ and 15′ (P<0.05). There was significant difference between Nogo stimulation angle 55′ and 24′, and between Nogo stimulation angle 55′ and 15′ (P<0.05). No significant differences were observed in the Nogo-P3 amplitude among Nogo stimulation. Conclusion In the Go/Nogo paradigm, Nogo-P3 can reflect the cognitive response of subjects to Nogo stimulation, which can be used for objective evaluation of visual acuity.
Keywords:
本文引用格式
贾富全, 张馨元, 罗方亮, 熊妍荷, 程龙龙, 刘技辉.
JIA Fu-quan, ZHANG Xin-yuan, LUO Fang-liang, XIONG Yan-he, CHENG Long-long, LIU Ji-hui.
在法医临床鉴定实践中,经常会涉及对视功能障碍进行评定的问题。由于传统的视力表检查法为主观检查方法,其结果在法医学鉴定中经常难以直接采用,因此,对视功能障碍客观评定方法的研究一直以来都是法医临床鉴定的重点和难点。
目前对于不同视角、不同视敏度水平的大脑认知ERP特征的研究较少。2010年,HEINRICH等[8]研究发现,可视光栅可以引起稳定的P3成分,而P3成分不会被模糊光栅诱发,同时P3成分波幅与不可视和可视光栅是有或无的关系。这提示P3成分与视觉分辨阈值具有相关性,因此ERP可作为一种电生理学技术应用于视敏度的评估。
本研究应用ERP技术,选用不同视角大小、不同开口方向的“E”图形作为刺激图片,采用视觉Go/Nogo范式对26名受试者(52只眼)进行图形刺激,对视敏度加工过程中ERP各Nogo刺激的P3成分(Nogo-P3)进行分析,探讨大脑对于视敏度的认知加工过程,进而为视敏度的客观评定提供电生理学依据。
1 对象与方法
1.1 实验对象
选取26名青年受试者,均为右利手,其中男性14人,女性12人,年龄20~26岁,平均年龄22.5岁。眼科常规检查除屈光不正外无其他眼病,裸眼视力0.1,矫正视力可达1.0;无头部外伤史,无中枢及周围神经系统疾病,无精神障碍疾病等。所有被试者进行双眼测试,在详细了解本研究的目的并熟悉试验内容和步骤后自愿接受测试。
1.2 实验仪器
记录脑电的仪器为德国Brain Products公司生产的BrainAmp MR脑电分析仪。电极帽为德国Brain Products公司生产的64导Ag/AgCl电极帽,电极帽的放置采用国际10-20系统标准。
1.3 刺激模式
基本刺激图形为国际标准视力表上不同开口方向的字母“E”(图1)。图片呈现在被试者前方1 m处的液晶显示器中央,显示器视屏大小为23°12′(水平)×14°36′(垂直),分辨率为1 024像素×768像素。
图1
图1
视敏度ERP实验的基本刺激图形
A:Go刺激图形(视角1°15′);B:Nogo刺激图形(视角1°15′、55′、24′、15′)。
Fig. 1
Basic stimulus pattern of ERP experiment
on visual acuity
采用视觉Go/Nogo范式,以图1A为Go刺激,视角大小为1°15′,共呈现100次(占50%),以视角为1°15′、55′、24′、15′的图1B为Nogo刺激,各呈现25次,共计100次(占50%)。出现Go刺激时按键盘1键。刺激图片随机呈现在电脑屏幕中央,每个刺激图片呈现时程为1 000 ms,刺激间隔为1 000 ms。所有被试者均以裸眼视力进行测试。在1 m距离下的主观视力检查中,被试者0.1的裸眼视力对应“E”图形的视角阈值为55′,因此,本范式下,被试者可清晰分辨出视角为1°15′、55′的“E”图形开口方向,而不能辨认视角为24′、15′的“E”图形开口方向,具体刺激图形开口方向及视角见图2。Go和Nogo的差异性主要为视角的大小和开口方向。
图2
1.4 实验步骤
(1)受试者坐于实验室座椅上,调整距离使双眼距显示器1 m并与视屏中心等高。戴电极帽前,预先对头皮表面油脂、污物进行清洗。戴电极帽时,以冠状线与矢状线交点处的Cz电极定位,其余各电极顺次展开,调整电极帽使各电极紧贴头皮,将电极帽接头与放大器接口相连,接地电极位于前额处,同时记录垂直眼电信号(vertical electrooculogram,VEOG)。涂抹导电膏,使各通道电极与头皮阻抗小于20 kΩ。嘱被试者在检测过程中注视刺激屏中央红色“十”字,尽量少眨眼,以减少眼电干扰。
(2)在正式开始ERP前,先给被试者进行一组刺激图片的练习,使其熟悉任务要求和测试程序。
(3)按预先设定好的实验程序进行视觉刺激,要求被试者集中注意力注视屏幕中央的图片,并按指令尽快准确按建,以保证获得有效的行为数据。
1.5 数据采集与离线分析
使用BrainVision Recorder 1.20软件(德国Brain Products公司)记录各通道脑电信号,滤波带宽为0.016~100 Hz。数据采集结束后,应用BrainVision Analyzer2系统软件进行脑电数据的离线分析,具体分析过程为:将参考电极由FCz改为TP9和TP10(两侧乳突),FCz添加为记录电极;校正眼电对各通道脑电波形的影响;去除伪迹时选择去除1 ms间电压变化值大于50 μV、100 ms内电压变化值小于0.5 μV、200 ms内波峰-波谷电压变化值大于200 μV的干扰信号;数字滤波设定滤波带宽为0.016~35 Hz;取刺激前200 ms到刺激后1 000 ms的数据分段;参考刺激前200 ms进行基线校正,并去除波幅电压超过±100 μV的干扰信号;叠加平均/总平均后生成ERP波形和300~600 ms脑电地形图。
1.6 统计分析
应用SPSS 19.0软件(美国IBM公司)对ERP各Nogo-P3的潜伏期和波幅进行分析。计量资料采用
2 结果
2.1 Nogo-P3的波形图及脑区分布特征
图3
图4
图4
Nogo刺激300~600 ms的脑电地形图
A:30~350 ms;B:350~400 ms;C:400~450 ms;D:450~500 ms;E:500~550 ms;F:550~600 ms。绿色为安静状态下的脑电信号空间分布,黄色、橙色、红色为Nogo-P3波的空间分布,标尺显示波幅值。
Fig. 4
Topographical maps within 300~600 ms after Nogo stimulation
2.2 各模块间Nogo-P3的潜伏期
在不同的Nogo刺激图形视角条件下,Fz电极记录到的Nogo-P3潜伏期见表1。对不同刺激图形视角下的Nogo-P3潜伏期进行单因素方差分析,其中,Nogo刺激视角1°15′与55′模块、Nogo刺激视角24′与15′模块相比,差异无统计学意义(P>0.05);Nogo刺激视角1°15′与24′、15′模块相比,差异有统计学意义(P<0.05);Nogo刺激视角55′与24′、15′模块相比,差异有统计学意义(P<0.05)。
表1 Fz电极处各模块Nogo-P3的潜伏期和波幅
Tab. 1
| Nogo刺激视角 | 潜伏期/ms | 波幅/μV |
|---|---|---|
| 1°15′ | 495.78±67.93 | 10.65±3.25 |
| 55′ | 491.17±62.85 | 9.15±3.86 |
| 24′ | 441.31±54.671)2) | 9.08±2.89 |
| 15′ | 438.10±52.421)2) | 8.87±2.32 |
2.3 各模块间Nogo-P3的波幅
在不同的Nogo刺激图形视角条件下,Fz电极记录到的Nogo-P3波幅见表1。对不同刺激图形视角下的Nogo-P3波幅进行单因素方差分析,结果显示,各模块间Nogo-P3的波幅差异均无统计学意义(P>0.05)。
3 讨论
3.1 不同视角图片的Nogo刺激对Nogo-P3潜伏期和波幅的影响
本研究采用视觉Go/Nogo范式,以不同视角大小、不同开口方向的“E”字母作为刺激图形,进而分析在能辨别Nogo刺激图形开口方向和不能辨别其开口方向的情况下其ERP成分的差异,从而达到客观评定视敏度的目的。Nogo-P3是ERP研究中重要的认知成分,反映大脑对外界信息评估、分类等多种认知的过程,因此,本研究主要探讨Nogo-P3在视敏度客观评定中的价值。另外,因Nogo-P3易受心理因素及记忆力等影响,不同年龄段可能会存在心理、记忆力等因素的差异,因此,本研究选用同一年龄段的受试对象,以排除年龄因素对研究结果的影响。
本研究对视觉ERP的认知加工成分与脑区的头皮电极定位分析结果显示,Nogo-P3主要分布于近中线电极且前额区诱导的波幅为大,因此,在进行视敏度客观评定时,可应用Fz电极作为对Nogo-P3进行观察与分析的头皮记录生理定位点。
对Nogo-P3潜伏期分析的结果显示,在能辨别“E”字母开口方向(即Nogo刺激图形视角1°15′和55′模块)以及不能辨别“E”字母开口方向(即Nogo刺激图形视角24′和15′模块)的情况下,其Nogo-P3的潜伏期差异无统计学意义。上述结果说明,在本实验模式下,能分辨开口或不能分辨开口的各种情况下,Nogo刺激图形的视角大小对Nogo-P3的潜伏期并未产生影响。但通过Nogo刺激图形视角55′和24′模块的比较,Nogo-P3的潜伏期差异有统计学意义,并且Nogo刺激图形视角55′模块大于视角24′模块。出现这种现象的原因,可能与分类任务的难易程度有关。在Nogo刺激图形视角55′模块,因Go刺激与Nogo刺激图形均能辨别开口方向,在进行按键反应时,需要对图形开口方向的差异进行认真分析判断后才进行按键,此过程对开口方向差异的辨别不仅需要看清楚,还需要对图形行进一步分析与判断,其分类任务相对较难。而在Nogo刺激图形视角24′模块,由于不能辨别Nogo刺激图形开口方向,在进行按键反应时,不需要经过图形开口方向的差异分析阶段,其分类任务相对容易。因此,Nogo刺激图形视角55′模块的Nogo-P3潜伏期大于视角24′模块。同时,此结果也表明,在能与不能分辨“E”字母开口方向的情况下,通过Nogo-P3潜伏期的变化不仅能精确评定视敏度,而且还能反映被试者对Nogo刺激进一步认知的水平。
本研究各Nogo刺激次数相同,各Nogo刺激间波幅差异均无统计学意义,这也与既往研究[16]结果一致,进一步证实了Nogo-P3波幅与刺激次数相关。
3.2 法医学应用前景
在法医临床鉴定中,由于被鉴定人常夸大视功能障碍的程度,因此视力的准确评定是法医临床鉴定的重要内容。
目前,应用VEP技术评定视敏度在法医临床鉴定中已得到广泛应用,但VEP反映的是大脑对视觉刺激的早期反应,并不适用于对视觉认知功能障碍的评定。而ERP技术可以反映大脑中、晚期的电活动,即可评价枕叶初级视皮层的功能,也可反映大脑联合区的电位变化,可对视觉传导通路以及大脑认知整体过程进行检测,另外,ERP的P3成分不受刺激图像物理属性的影响,检测结果相对稳定。同时,在进行ERP检测时要求被试者进行按键,通过是否引出P3波以及对行为数据进行分析还可以判断其配合程度。
本研究表明,ERP对于客观评定视敏度水平有重要意义。在实际应用时,首先,对被试者进行主观视敏度检查,以所测视敏度阈值上一级对应视角大小的“E”字母为Go刺激图形,同时选用该视敏度阈值以及其下一级所对应视角大小但开口方向不同的“E”字母作为Nogo刺激图形,在能分辨“E”字母开口方向和不能分辨其开口方向的情况下,Nogo-P3的潜伏期存在差异,通过分析两组图形引出Nogo-P3的潜伏期特征,可以判断被试者是否存在伪盲并进一步推测其真实视敏度水平。
本研究是应用视觉ERP Nogo-P3客观评定视敏度的法医学初步研究,样本量较单一。如果将不同视觉通路病变和脑损伤致视功能障碍者纳入实验对象,将会为视觉脑加工机制的分析、视敏度的客观评定提供更为全面、系统和客观的电生理学指标。
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