面孔识别特异性脑机制的ERP研究

第17卷　第6期 航天医学与医学工程 Vol.17　No.6
　2004年　12月 Space Medicine&Medical Engineering Dec.2004　
面孔识别特异性脑机制的ERP研究3
彭小虎1,2,王国锋2,魏景汉3,罗跃嘉3
(1.北京师范大学心理学院脑与认知研究所,北京100879;2.湖南省第一师范学校教育科学系,湖南长沙410002;3.中科院心理研究所,北京100875)
摘要:目的研究面孔识别加工成分N170是否真正反映面孔识别加工的特异性及其是否是衡量面孔结构编码的特异指标;另外尚运用偶极子定位法论证面孔识别加工特异脑区、面孔识别加工是否具有右半球优势等问题。

方法16名被试学习和再认面孔照片,记录其脑电。

结果实验结果表明,仅半数被试出现N170;认知任务显著影响N170波幅。

结论N170不仅反映面孔的结构编码还反映视觉直接加工等其他加工单元,是否反映面孔识别加工特异性还值得进一步研究;面孔识别加工时两半球的优势在加工速度与加工强度两个维度上各占优势,并非单纯的右脑优势,提供了支持半球间两维关系观点的新电生理学证据;面孔识别加工的脑区不仅限于梭状回,顶叶后部偏右的皮层下结构应该也是一个面孔识别加工脑区。

关键词:事件相关电位;面孔识别;半球优势;偶极子;结构编码
中图分类号:R33818 文献标识码:A 文章编号:100220837(2004)0620438206
Specif ic B rain Mechanism in Face Recognition Revealed by Event2related Potentials1PE NG X iao2hu,WANG G uo2feng,WEI Jing2han,LUO Y ue2jia1Space Medicine&Medical Engineering,2004,17(6):438～443 Abstract:Objective1)T o study whether early component of face recognition———N170reflect s the special2 ity in face proce ssing and reflect s face structure encoding,and to demonstrate a face2specific proce ssing area in the human brain by employing dipole source analysis.Method Event2related potentials(ERPs)were recorded in16normal subject s during picture s of face learning2cognition ta sk.R esult N170wa s elicited by the face stimuli in only half of the subject s and the amplitude wa s modulated by cognitive ta sks.Conclusion 1)N170reflect s not only face structure encoding unit but also direct visual proce ssing unit.Whether N170 reflect s the speciality in face recognition needs further study.2)The latency of N170shows left hemisphere dominance and the amplitude shows right hemisphere dominance,indicating that it is not pure right hemi2 sphere dominance in face recognition.3)The study validate s that the face proce ssing area in brain is right fusiform gyrus and finds that right parietal cortex is probably a face specific proce ssing area in the human brain.
K ey w ords:event2related potentials(ERPs);face recognition;dipole;hemispheric dominance;structure encoding
Address reprint requests to:PE NG X iao2hu.I nstitute of Brain and Cognition,Psychlogy School,Beijing 100875,China
面孔在人类认知活动中是一种内容非常丰富的非言语性刺激。

面孔识别的认知模型中影响较大的是Bruce2Y oung模型[1]。

根据该模型,第一阶段为面孔结构编码阶段,此阶段的主要作用是对面孔的结构进行编码,是见到一张面孔时的第一处理阶段,包含静态的图形编码(面孔照片的亮度、质地、斑点)和动态的结构编码(如头的角度、表情、年龄和发型等的改变等)。

此阶段之后是两条独立的通道:第一条通道是有关视觉处理的,包含表情分析、面孔语言分析和视觉直接加工
收稿日期:2004203220
通讯作者:彭小虎　neusci@
3基金项目:国家自然科学基金(30325026);中科院重要方向项目(KG CX2-SW-101)3个平行的处理单元;第二条通道是有关面孔识别的,包含面孔识别单元、个体特征单元和名字产生单元3个串行的处理过程。

在面孔识别的事件相关电位(ERP)研究中,一些学者发现颞枕部的一个潜伏期约为170ms 的负波(N170)与面孔特征的结构分析有关,而与熟悉度、性别、年龄和种族等因素无关,代表面孔识别的特异性,反映了Bruce和Y oung[2～6]提出的面孔认知模型中的结构编码。

E imer[7]发现,相对于正面或侧面的面孔,脸颊和后脑勺的N170波幅明显减小,表明N170对面孔结构的完整较敏感,而不仅仅是被头的形状所引起。

同样,缺乏内部特征(头部的眼睛、鼻子、嘴、眉毛、下颌和脸颊等部位)的面孔也导致N170波幅降低和峰潜伏
期延迟,表明N170对面孔内部特征敏感。

E imer 认为,N170反映了面孔的结构编码阶段,在此阶段产生整个面孔轮廓的表征。

Cauquil[8]等报告N170的波幅和潜伏期都对靶刺激和非靶刺激不敏感,认为N170是自动的、未被选择性注意影响的早期成分。

但也有面孔识别的ERP研究报告否认N170反映了面孔识别加工的特异性[9]。

近年来关于大脑中是否有专门的面孔识别加工区域已做了很多研究。

猴脑单细胞记录表明颞上回、颞下回和颞前回皮质的脑细胞对于面孔的位置、大小、朝向等有关[10]。

面孔识别的PET和fMRI研究表明,无论实验任务如何,梭状回(fusiform gyrus)都会被激活[11～18]。

另外,很多研究报告指出右半球为面孔识别加工的优势半球。

PET与fMRI研究表明识别陌生面孔时,右侧大脑比左侧大脑活动性增高、激活区增大[15,19,20]。

ERP研究也表明,右侧N170比左侧的幅度增高[2～4,21～23]。

这些学者认为这是因为正常的右利手成年人在面孔识别过程中具有右半球优势。

从以上研究结果看来,面孔在大脑中似乎有专门的加工部位,且右半球为面孔识别加工优势半球。

本研究旨在考察N170在不同实验任务中的头皮分布、潜伏期、幅度,以探讨N170是否真正反映面孔识别加工的特异性及其是否是衡量面孔结构编码的有效指标;另外运用偶极子定位法论证面孔识别加工特异脑区、面孔识别加工是否具有右半球优势等问题。

方　法
被试者　被试者为16名(8男8女)大学生,身体健康,右利手,视力正常或矫正视力正常,年龄19～24岁,平均年龄为21岁。

刺激材料　用数码相机(像素数为210万)拍摄青年东方人面孔364张照片,其中男女各半,表情中性,面部无明显标志(如胡须、眼镜、痣、化妆等)。

经软件处理为大小、明暗、对比度和空间频率等一致的灰阶照片,去除头发、耳朵、脖子等面孔外部特征(图1)。

实验过程　采取“学习———再认”实验范式。

刺激序列由13个单元组成,
每个单元包含学习和
图1　面孔刺激材料
Fig.1　F ace stimuli
测验两个阶段。

在学习阶段,呈现14张面孔,让被试者尽可能记住,刺激间隔(SOA)为3s,刺激呈现时间为1s。

间隔4s后,进入测验阶段。

呈现28张面孔,其中重复呈现的面孔占50%,SOA 为3.2s,刺激呈现时间为1s,令一半被试对其认为见过的面孔按左键,没有见过的按右键;另一半被试反之。

脑电记录　被试者戴电极帽记录64导脑电。

参考电极置于双侧乳突连线,前额发际下1cm接地,同时记录水平眼电和垂直眼电。

滤波带通为0.10～40Hz,采样频率为500Hz/导,头皮电阻小于5kΩ。

分析时程(epoch)为刺激呈现后250 ms,基线为刺激前50ms,自动矫正眨眼等伪迹,波幅大于±50μV者视为伪迹被自动剔除。

数据处理　纵观总平均图,在P Z、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、PO Z、PO3、PO4、PO5、PO6、PO7、PO8、O Z、O1、O2共19点均发现N170(图2),故方差分析为这19个点的数据。

用SPSS对140～240ms的峰值(负波)进行3因素的方差分析,因素为有无N170(2个水平:有和无)、条件(3个水平:学习阶段的面孔、测验阶段的旧面孔、测验阶段的新面孔)和记录部位(19个水平)。

在本研究中将被试分成2大类(有无N170),共形成学习阶段新面孔、测验阶段新面孔、测验阶段旧面孔共6类ERP。

此外,对测验阶段新面孔140～240ms 时间段进行偶极子定位,偶极子模型采用旋转偶极子(rotating dipole),残差(re sidual variance, R V)小于15%且在合理区域内为合适偶极子。

在本研究中考虑被试有强行记忆任务且在学习新面孔时采用的策略可能不同,测验阶段的旧面孔又包含重复效应,只有测验新面孔时被试进行辨别任务,注意集中、面孔识别的心理因素基本一致,所以本研究只分析测验阶段新面孔的偶极子源。

934
第6期 彭小虎,等.面孔识别特异性脑机制的ERP研究
图2　电极排列
Fig.2　Position of electrodes
结　果
本实验被试总人数为16名,实验结果中有无
N170的被试恰好各一半(50%,8名)。

有N170的被试对测验新面孔的反应时和正确率分别为(819±68)ms 、(77±9)%,对测验旧面孔的反应
时和正确率分别为(813±58)ms 、(57±11)%;无
N170的被试对测验新面孔的反应时和正确率分
别为(775±91)ms 、(74±11)%,对测验旧面孔的
反应时和正确率分别为(775±94)ms 、
(55±9)%。

统计结果表明,无论测验新旧面孔,有N170的被试比无N170的被试反应时慢(t =2.59s ,P <0.05)、正确率高(t =2.38s ,P <0.05)。

将被试按有无N170分类是合理的。

虽然各组被试只有8名,但每名被试的各类刺激的叠加次数均在150次以上,信噪比(SNR )较高,两组间的数据比较结果是可靠的。

ERP 成分　有N170类在头皮前部和顶部都出现了一个潜伏期为170ms 左右的正波———P170,其颞枕部则有明显的N170(图3、图4)。

就N170而言,测验旧面孔的波幅最大,测验新面孔
的波幅次之,学习新面孔的幅度最小(图3、表1)。

偶极子　有N170类的偶极子源有2个,一个在左侧颞叶的皮层下部位,一个在右侧颞枕交接处的皮层下(右侧梭状回附近),两者方向不一
图3　有无N 170被试的总平均图
Fig.3　ERPs in subjects with and without N 170Upper :N170absent ;Lower :N170pre sent
044 航天医学与医学工程 第17卷
表1　P 7、P 8电极部位的平均潜伏期和波幅
T able 1　G rand averaged latency and amplitude at P 7&P 8electrodes
item
P 7
P 8cognition of new face repeated cognition learning stage cognition of new face repeated cognition learning stage latency (ms )
152
152
152
164
164
164
amplitude (μV )　-0.33　-1.12　-1.23　-1.88　-2.97　-3.
61
图4　有无N 170两类被试由测验新面孔所诱发的ERP 的偶极子源
Fig.4　Dipoles of ERPs evoked by learning face in subjects with and without N 170
Upper :N170pre sent ;Lower :N170absent ;Left :top view ;M iddle :back view ;R ight :left view
致,强度上都是右边的显著大于左边的(47.5nAm vs 37.1nAm ,残差为3.2%,时间点为164ms )。

无N170类的偶极子源只有1个,分布在顶叶偏右皮层下区域(43.3nAm ,残差为12%,时间点为176ms )(图4)。

统计分析　根据方差分析结果,在头颅后部,N170在不同的实验条件下产生的ERP 成分有显著性差异。

有无N170的主效应显著(P <0.01),提示两类被试在有无N170上差异非常显著;有条件主效应(P <0.05),提示不同的实验任务(学习、测验)对N170的波幅有显著影响;还有记录点主效应(P <0.05),提示后部19个记录点之间的N170波幅有显著性区别。

讨　论
两类被试在相同的实验条件下,N170出现显
著差异,表明N170有人群差异。

从反应时和正确率可以看出,有N170的被试比没有N170的被试反应时慢而正确率高,提示有N170的被试面孔识别加工过程较长、较为精细。

从此层面上看,
也许两类被试本身在个性心理特征如性格、气质等方面就存在差异。

进一步研究如配合心理测量等手段区分被试也许可揭示此点。

在本实验中,测验时的面孔所诱发的N170比学习时的面孔所诱发的N170波幅大,提示提取时的面孔识别加工过程比编码的加工过程复杂,动用的心理资源更多。

Paller [24]等的研究表明测验面孔的N170比学习面孔的N170波幅更大,认为这反映了测验面孔比学习面孔在编码上消耗更多的心理资源,支持上述观点。

Cauquil [8]等认为N170是一个稳定的面孔表征,本实验的N170的波幅差异表明N170反映的不是一个稳定
的面孔表征,有研究者认为稳定的面孔表征应该在不同的认知任务下波幅和潜伏期仍然保持稳定[7,8]。

进而,与其他研究者的结果不同,本实验所发现的N170明显受实验条件影响,既然N170不是一个稳定的面孔表征,那么N170是否反映面孔识别加工的特异性并不能做结论,因为N170是否反映面孔识别加工的特异性基于其是否是一个稳定的面孔表征。

1
44第6期 彭小虎,等.面孔识别特异性脑机制的ERP 研究
Bentin[2]等认为N170反映Bruce2Y oung模型中面孔的结构编码。

根据Bruce2Y oung的模型,在对面孔特征进行结构编码后,沿着第一条通道就进入了视觉直接加工单元。

该单元的主要作用是对面孔的年龄、性别和种族等特征进行处理和编码。

Mouchetant2Ro staing[25]等发现结构编码与性别处理在潜伏期上重合,而作者其它实验发现结构编码与种族特征处理在潜伏期上重合[26],故认为N170不仅反映Bruce2Y oung模型中面孔的结构编码还反映视觉直接加工等其他加工单元。

作者认为Bruce2Y oung模型中的结构编码可能不是一个单独的加工单元,面孔识别的早期成分N170很可能是结构编码、视觉直接加工等单元的混合产物,N170的“特异性”值得推敲,需要进一步研究。

实验结果表明,左半球的比右半球N170潜伏期短(152ms vs.164ms),测验阶段与学习阶段皆然。

在以往的面孔识别研究中,研究者认为右半球在面孔识别中占有优势[15,19,20],本实验结果表明:右半球在加工强度上占有优势,但在加工时间上却迟于左半球。

Wei[27]等曾观察到同样的现象,并且认为,这个现象说明大脑半球的优势应该分为加工强度与加工速度两个维度,大脑两个半球各在一个维度上占有优势,大脑半球的优势问题应该做区分维度性的修正。

本实验结果提供了支持这一新的两维观点的新电生理学证据。

近年来,脑功能成像(PET/fMRI)研究表明面孔能激活特定的皮层区域,现在研究者已基本公认梭状回为面孔识别加工区(fusiform face area, FFA),。

本研究通过偶极子定位法,发现有N170类的偶极子源有两个,一个在左侧颞叶的皮层下部位,一个在右侧颞枕交接处的皮层下(右侧梭状回附近)。

无N170类的偶极子源只有一个,分布在顶叶偏右皮层下区域。

其实,除了梭状回以外,近年发现其他部位也可能是面孔识别加工脑区。

例如,柳亭林曾报告[28],一个面孔失认症患者经头颅CT检查,在右侧顶叶后下区有出血灶,导致右侧脑室变小。

治疗1周后,血肿吸收,面孔失认症消失。

他认为解剖结构上顶叶后界和下界是人为的、不清楚的分界,分别与枕叶、颞叶连接,故临床上顶———颞———枕区结构与面孔失认关系密切。

这些结果提示,顶叶后部偏右的皮层下结构也有可能是一个面孔识别加工脑区,是面孔神经元活动在头皮上的投射[29]。

Haxby[30]等发现右侧前额叶(right prefrontal)、双侧顶叶(bilateral parietal)和腹侧枕区(ventral occipital regions)都可被面孔激活。

Andrea sen[31]等发现梭状回、左舌状回(left lingual gyrus)和右顶皮层(right pari2 etal cortex)可被面孔激活。

本实验所发现的两个偶极子源都可能属于面孔识别加工的活动脑区,进一步说明面孔识别加工的脑区不仅限于梭状回。

结　论
本实验得到了与其他实验室不完全相同的实验结果,从而对目前关于面孔识别的理论和脑机制问题提出了不同的看法,主要是:面孔识别的早期成分N170不仅反映面孔的结构编码还反映视觉直接加工等其他加工单元,是否反映面孔识别加工特异性还值得进一步研究;面孔识别加工时两半球的优势在加工速度与加工强度两个维度上各占优势,并非单纯的右脑优势,提供了支持半球间两维关系的新电生理学证据。

面孔识别加工的脑区不仅限于梭状回,顶叶后部偏右的皮层下结构应该也是一个面孔识别加工脑区。

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[作者简介:彭小虎,男,博士,研究方向为大脑高级功能]
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第6期 彭小虎,等.面孔识别特异性脑机制的ERP研究。