情緒對認知加工的影響：系列事件相關腦電位研究

摘要為探討情緒與認知的相互作用關系及其腦機制，建立了情境圖片、面孔、漢字和聲音四個系列組成的中國情感刺激材料庫，并通過ERP實驗對情緒與注意、工作記憶的關系以及特質焦慮者的認知特點進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)：⑴ 負性情緒刺激在信息加工過程中至少在注意、評價及反應準備這幾個階段具有某種優(yōu)先權，注意偏向也可在內隱任務下發(fā)生，負性刺激對注意資源不足具有某種補償作用；⑵ 威脅性視覺提示對其后的視覺加工具有調節(jié)作用，高焦慮個體對這類性刺激投入了更多的視覺加工資源，而且威脅性刺激對注意的影響可以跨通道進行，威脅性的視覺刺激可以影響觸覺注意；⑶ 在情緒對工作記憶的影響方面，負性情緒下空間工作記憶任務引起的P300波幅減小，這種效應可能是基于情緒對頂葉注意系統(tǒng)的調節(jié)作用，而在詞語工作記憶任務中這種效應消失。

關鍵詞情緒，事件相關腦電位，注意，工作記憶，焦慮。

分類號 B842

情緒是瞬息萬變的心理與生理現(xiàn)象，反映了機體對不斷變化的環(huán)境所取的適應模式。情緒認知及其腦機制的研究，特別是情緒與認知的關系及其潛在的神經(jīng)基礎，在近年逐漸成為認知神經(jīng)科學的熱點研究領域，并形成“情感認知神經(jīng)科學”這一分支[1]。這個領域的研究不僅回答情緒的起源、功能、本質等科學問題，更重要的是它將為情緒調節(jié)和情緒障礙疾病的治療奠定基礎。作者及其課題組在最近3年以來，采用維度法評定刺激材料的情感性，并建立了中國情緒刺激材料庫。在此基礎上，利用事件相關腦電位 （event-related brain potentials， ERPs）技術和行為實驗相結合的實驗范式，開展了情緒對注意、工作記憶和漢字認知的影響及焦慮病人的認知改變等研究，在一定程度上揭示了情緒與認知的關系。

1情緒的評定標準

情緒評定的標準關系到誘發(fā)情緒的刺激材料類型、被試實際的情緒體驗等。目前主要存在兩種標準：基本情緒論和情緒維度論[2]?；厩榫w論以Ekman和Izard為代表，認為情緒在發(fā)生上有原型形式，即存在著數(shù)種泛人類的基本情緒類型（常見的有6種和11種基本情緒之說），每種類型各有其獨特的體驗特性、生理喚醒模式和外顯模式，其不同形式的組合形成了所有的人類情緒。目前應用更為廣泛的維度論認為若干個維度組成的空間包括了人類所有的情緒，把不同情緒看作是逐漸的、平穩(wěn)的轉變，不同情緒之間的相似性和差異性是根據(jù)彼此在維度空間中的距離來顯示的。維度模式常為兩個維度組成：①效價（valence）或者愉悅度（pleasure），其理論基礎是正負情緒的分離激活；②喚醒度（arousal）或者激活度（activation），指與情感狀態(tài)相聯(lián)系的機體能量激活的程度，喚醒的作用是調動機體的機能，為行動做準備。

腦成像研究證實了正性和負性情緒的分離，即兩者各自具有特定的大腦加工系統(tǒng)，分別與左半球和右半球活動相聯(lián)系，或者說分別是左半球和右半球優(yōu)勢。例如，觀察正性和負性圖片的同時進行fMRI掃描，分析發(fā)現(xiàn)，情緒圖片激活了雙側額葉、扣帶前回、杏仁核、前顳葉以及小腦；負性情緒圖片的激活區(qū)主要分布在右半球，而正性圖片則在左半球[3]。

美國國立心理健康研究所（NIMH）情緒與注意研究中心與佛羅里達大學Lang等[4]編制了3套情緒材料系統(tǒng)，分別為國際情感圖片系統(tǒng)（International Affective Picture System， IAPS）、國際情感數(shù)碼聲音系統(tǒng)（International Affective Digital Sound System， IADS）和英語情感詞系統(tǒng)（Affective ANEW）。三套系統(tǒng)的每一個材料都被賦予了愉悅度、喚醒度和優(yōu)勢度（Dominance）值，在情緒研究中較為廣泛。但是我們發(fā)現(xiàn)[5]，中國人和西方人對IAPS評定的相關性盡管很高，但兩組被試也反映出顯著的差異性，是由文化、個性以及具體社會生活情況等不同原因造成的。

因此，本課題組編制出了中國情感圖片系統(tǒng)（Chinese Affective Picture System， CAPS）、中國人情感面孔圖片系統(tǒng)（Chinese Affective Face Picture System， CAFPS）、中國情感數(shù)碼聲音系統(tǒng)（Chinese Affective Digital Sound System， CADS）和漢語情感詞系統(tǒng)（Chinese Affective Words System， CAWS）。

CAPS[6]包括852幅圖片，特別在面孔、環(huán)境等方面，采用了具有東方色彩的圖片。CAPS在愉悅度評分處于比較低的水平時，喚醒度評分比較高，而優(yōu)勢度評分比較低；愉悅度評分位于中游水平時，喚醒度和優(yōu)勢度的評分也處于中間水平；愉悅度評分比較高的圖片， 優(yōu)勢度和喚醒度的評分也比較高。上述特點符合人們的其本情緒規(guī)律。CAFPS[7]采集在校大學生的7種情緒面孔圖片，首先對情緒面孔進行類別的初次評定，選取評價一致的圖片，再由60名評分者對其進行類別和情緒強烈程度的判定。得到一系列具有代表性的7種情緒面孔圖片，并且每張圖片都有其相應的情緒強烈程度分數(shù)。CADS[8]在大量收集各種聲音刺激的基礎上精選出453個聲音，并取得了愉悅度、喚醒度和優(yōu)勢度數(shù)據(jù)。聚類分析可將全部聲音聚為6類，大致可引發(fā)愉快、悲傷、恐懼、厭惡等情緒，提示可以同時從情緒維度和情緒類型兩種途徑研究情緒問題[8]。CAWS[9]以現(xiàn)代漢語常用詞詞典中31187條雙字詞作為原始母體選材量，結合國家語言文字委員會提供的中文詞庫，抽樣出雙字詞6000，（名詞、動詞、形容詞各3000），采用隨機和有規(guī)律相結合的抽樣方法，形成統(tǒng)計樣本；結合現(xiàn)代漢語詞典選取2000個現(xiàn)代漢語雙字詞，再從中隨機分層抽取名詞、動詞、形容詞各500個作為評定用詞。 最后將這1500個雙字詞進行了愉悅度、喚醒度、優(yōu)勢度和熟悉度等4個維度的評定。

2 情緒與注意負性偏向的加工時程

2.1 情緒負性偏向的時程

機體對環(huán)境中的負性情緒信息具有某種特殊的敏感性，稱為情緒的負性偏向現(xiàn)象。換句話說，與正性和中性事件相比，負性刺激似乎擁有一種認知加工上的優(yōu)先權。行為實驗數(shù)據(jù)表明負性事件引起情緒反應的速度更快，效應更顯著；fMRI結果觀察到某些特定腦區(qū)對視覺負性情緒刺激的激活增強[2]。但負性偏向究竟能以多快的速度發(fā)生，負性偏向究竟發(fā)生在信息加工過程的哪一個或哪幾個時間階段，這一問題目前尚不清楚，利用ERP技術具有很高的時間分辨率這一特點可以很好地研究這一問題。

采用國際情緒圖片系統(tǒng)為刺激材料[4，5]，以正常大學生為被試，挑選出正性、負性及中性圖片。正性和負性圖片在愉悅度兩極化程度和喚醒度上依據(jù)本土化評定所獲得的數(shù)據(jù)[5]進行了匹配。告知被試當圖片呈現(xiàn)時，他應該注意觀看并想象自己真實面對該場景時的感受，并盡快按鍵指出這一圖片是正性的還是中性的，或者在另一組任務中指出是負性還是中性的。實驗結束后對全過程連續(xù)記錄的EEG數(shù)據(jù)進行離線處理。分別分析經(jīng)典ERP成分P2和晚正成分（late positive component， LPC）以及單側化準備電位（lateralized readiness potential， LRP），可以探討負性情緒信息加工中發(fā)生時間較早的注意偏向和稍晚的分析評價偏向，以及反應準備時間的長短。

P2：P2潛伏期在愉悅度類型上的主效應顯著，中性刺激的潛伏期較短。P2波幅在block類型和電極點位置上主效應顯著。block類型效應是由于負性block中波幅大于正性block。最大波幅出現(xiàn)在頭皮中央部（如Cz、C1和C2等）。

LPC：LPC潛伏期與波幅在愉悅度類型和電極點的主效應均顯著：情緒性刺激的潛伏期比中性刺激的潛伏期短 (514 vs. 539 ms)；情緒刺激誘發(fā)的LPC波幅大于中性刺激 (情緒刺激11.5 vs. 9.4 mV)。最大波幅分布于頭皮中線頂部（如Pz、P1和P2。并發(fā)現(xiàn)愉悅度類型和block類型之間交互作用顯著，分析簡單效應表明負性刺激波幅大于正性刺激，而不同block中的中性刺激誘發(fā)的LPC波幅無差異（圖1）。

圖1P2和LPC顯示注意偏向和評價偏向（pos：正性，neu(p)：正性block中的中性刺激，dpos：pos與neu（p）的差異波，neg：負性，neu (n)：負性block中的中性刺激，dneg：neg與neu（n）的差異波）

LRP：LRP分為刺激鎖定（S-LRP）和反應鎖定（R-LRP）兩種情況。本研究主要關注LRP的時間屬性，因此只對其始潛時(on-set latency)進行分析。S-LRP始潛時在愉悅度類型上主效應顯著，情緒性刺激S-LRP波形起始時間早于中性刺激(分別為318與375 ms)。R-LRP始潛時在block類型和情緒類型上均顯示主效應顯著，二者交互作用也顯著，進一步分析發(fā)現(xiàn)所有這些效應顯著都是由于負性刺激引起的R-LRP潛伏期比其它條件要短[10]。

結論：上述結果表明人對負性情緒內容的加工和反應存在偏向性，這種偏向可能發(fā)生在信息加工及輸出過程中的某一個或者某幾個階段，包括注意、評價及反應準備等多個時間點。

2.2 內隱任務中的情緒注意偏向

在內隱情緒加工任務中發(fā)現(xiàn)負性刺激引起的P200成分波幅較大，潛伏期較短。負性偏向作為一種具有自動加工特點的現(xiàn)象，發(fā)生速度很快，而且即使在心理資源有限的情況下也能得以實現(xiàn)。在此假設下，本實驗采用非情緒任務以避免因直接關注材料的情緒屬性而導致任務相關效應。內隱任務下，材料的情緒屬性可能成為當前任務的干擾因素，被試需要抑制材料情緒屬性的干擾。干擾作用強的材料將消耗較多資源。如果負性偏向存在，負性材料比正性材料的干擾作用更強，因此負性條件引起的波幅將更大。情緒材料也可能因其自動加工的特點在速度上領先于普通的認知任務，這樣兩種加工不發(fā)生競爭，先行的情緒活動還起到提高神經(jīng)興奮性的作用，從而促進后續(xù)認知任務的完成。由于負性刺激對腦的激活作用更強，被它所促進的認知任務也將引起較大波幅。

本實驗的被試為17名20~22歲的大學生。將正性、中性和負性的情緒圖片180度顛倒，并與原圖拼接在一起，構成正立圖片在上或在下2種情況。實驗采用線索化范式，基本流程為“線索提示－靶圖片－反應信號”，被試任務是判斷正立圖片位于整幅圖片的上部還是下部，并在看到反應信號后按鍵表示自己的判斷。

分析P2波幅發(fā)現(xiàn)，提示有效性和情緒屬性主效應顯著，有效提示下波幅大于無效提示，負性刺激引起的波幅大于正性和中性條件。提示效應×情緒屬性交互作用顯著，分析簡單效應發(fā)現(xiàn)，有效/無效提示下，負性刺激引起的波幅均大于正性和中性；正性和中性條件下，有效提示波幅均大于無效提示，負性條件下，提示效應對波幅無影響。

無論提示有效無效，負性條件引起的波幅都是最大的，正性次之，中性最小。P2是受到注意調節(jié)的成分，該結果有力地證明了注意負性偏向的存在，而且發(fā)生速度很快，具有自動加工過程的特點。實驗還發(fā)現(xiàn)負性條件波幅不受提示有效性影響，換句話說，在有效提示和無效提示下，負性刺激引起的P2波幅無差異。在提示主效應顯著，無效提示引起波幅較小的大背景下，這似乎提示了負性刺激對注意資源不足具有某種補償作用，它在有限的資源下仍能激起較多或較大的神經(jīng)元活動，表現(xiàn)出這類刺激在神經(jīng)機制上的優(yōu)勢地位。

3 負性情緒對空間和詞語工作記憶的選擇性影響

關于情緒與認知相互作用方面的研究，越來越多的證據(jù)表明情緒對認知表現(xiàn)的影響可能是通過影響工作記憶完成的。工作記憶是一種對有限信息進行暫時性儲存和加工的系統(tǒng)，它為許多復雜的任務提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息，根據(jù)儲存信息的類型不同，分為空間和詞語工作記憶。最近的行為學研究發(fā)現(xiàn)在正常人身上誘導的焦慮情緒選擇性的干擾了空間工作記憶任務的表現(xiàn)，而詞語工作記憶并未發(fā)生明顯的改變。這說明認知受情緒的影響不是發(fā)生在一個全腦水平上的，情緒和認知的交互作用有著更為復雜的腦機制。為了探討選擇性影響的潛在神經(jīng)機制，本研究采用了ERP技術，為負性情緒對空間工作記憶和詞語工作記憶影響提供一些腦電證據(jù)，并比較二者間的不同。

實驗采用的是調整過的延遲樣本匹配任務（DSMT），由“圖片-目標-延遲-探測”4個階段構成一個實驗單元。圖片來自中國情緒圖片系統(tǒng)（CAPS）[6]，一部分的圖片為負性，以誘導被試的負性情緒，另一個部分的圖片為中性，作為組內對照。首先在屏幕中央呈現(xiàn)一張圖片2000ms；之后在目標（Target）階段，空間任務為在屏幕上8個可能的二維空間位置中，隨機選擇4個位置呈現(xiàn)4個方框，呈現(xiàn)時間為1000ms；延遲階段保持黑屏1500ms，要求被試記憶方框位置；探測（Probe）階段呈現(xiàn)一個方框，被試判斷方框的位置是否在目標階段出現(xiàn)過。詞語任務是對4個英文字母進行記憶后匹配判斷。被試對正探測（出現(xiàn)過的探測）做“是”判斷；對負探測（未出現(xiàn)過的探測）做“否”的判斷。記錄并分析刺激消失后延遲階段的ERP波形[13]。

所有條件都在頭皮前部誘發(fā)出一個晚期正成分（LPC）。在空間任務中，頭皮中央?yún)^(qū)的P2波幅受到負性情緒影響而減??；前額區(qū)的LPC也受到負性情緒的影響，平均波幅顯著減小。然而在詞語工作記憶任務中，負性情緒未對其ERP造成影響（見圖2）。上述結果說明負性情緒只是選擇性的影響了空間工作記憶的保持功能，并沒有影響到詞語工作記憶。負性情緒下，反映注意資源分配的P2波幅在空間任務中的改變，暗示著負性情緒對空間工作記憶的選擇性影響可能是負性情緒干擾了空間注意造成的。

圖2 在空間和詞語工作記憶中兩種情緒間ERP總平均圖的比較

4 威脅性刺激產(chǎn)生的注意負性偏向

大量行為學證據(jù)顯示，對威脅性刺激的注意偏向是高焦慮個體的認知特點。深入探討該現(xiàn)象不僅有助于我們理解情緒與認知的關系，還能夠為臨床工作者開發(fā)新的認知治療手段提供理論依據(jù)。然而，目前國內外對威脅相關注意偏向的研究還只是停留在現(xiàn)象描述的水平，缺乏對其本質和相關腦機制的認識。本研究提出以下問題：中國人中是否也存在著對威脅性刺激的注意偏向？這種注意偏向是否存在于不同的感覺通道？是否存在威脅相關注意偏向的特異性ERP成分？

實驗一采用改編的“提示－靶刺激”范式。根據(jù)狀態(tài)-特質焦慮問卷（STAI），從213名志愿者中篩選出15名高特質焦慮被試和17名低特質焦慮。提示刺激為彩色圖片，根據(jù)其內容，分為威脅性和非威脅性兩組。在每個試次中，單張圖片呈現(xiàn)于左側或者右側視野，呈現(xiàn)時間為450ms。圖片消失后50ms，靶刺激出現(xiàn)在與圖片相同（有效提示）或相反（無效提示）的位置上。有效提示與無效提示分別占總試次的75%和25%。被試的任務是分辨靶刺激的形狀（三角形或圓形）。

為調查注意偏向在跨感覺通道的條件下是否存在，在實驗一的基礎上，實驗二將靶刺激改為觸覺刺激，通過觸覺發(fā)生裝置向被試的左手或右手施加觸覺震動。提示刺激仍然是威脅性圖片（蛇和蜘蛛）和非威脅對照圖片，提示有效性為50%。被試的任務是分辨震動的頻率（高頻或低頻），由于觸覺發(fā)生器安裝在被試雙手上，本實驗以腳踏板為反應裝置。

為研究威脅相關注意偏向的神經(jīng)關聯(lián)，實驗三采用與實驗一大致相同的范式，在記錄反應時的同時記錄被試的ERP。15名高焦慮志愿者和15名低焦慮志愿者完成了實驗。在每個試次中，單張圖片呈現(xiàn)于左側或右側視野，600ms后，圖片消失，經(jīng)過200~400ms的隨機間隔，靶刺激等概率地出現(xiàn)在有效提示或無效提示的位置上。靶刺激是一對水平或垂直排列的圓點。被試的任務是分辨圓點的排列方式。反應時和腦電數(shù)據(jù)進入到方差分析中。

實驗一：圖片類型（威脅/非威脅）與提示類型（有效/無效）的交互作用達到統(tǒng)計學顯著，威脅圖片比非威脅圖片帶來的提示效應大，于是，實驗一成功地復制出威脅相關注意偏向這一現(xiàn)象，即中國人也存在著對威脅性刺激的注意偏向。有趣的是，低焦慮個體與高焦慮個體一樣，表現(xiàn)出注意偏向。結果提示，當刺激的威脅程度足夠高時，高、低焦慮組都表現(xiàn)出類似的注意偏向。

實驗二：被試表現(xiàn)出對蛇的注意偏向。在短刺激間隔的條件下，蛇帶來的提示效應大于對照圖片帶來的提示效應。表明威脅性的視覺刺激可以影響觸覺注意，從而證明了威脅性刺激對注意的跨感覺通道影響。進一步分析顯示，這種影響與個體的恐懼水平相關，怕蛇程度越高，注意偏向的程度就越大。

圖3 左視野靶刺激誘發(fā)的總平均ERP，記錄點為P4

實驗三：在高焦慮組，當靶刺激出現(xiàn)在威脅性圖片的位置上時，與中性圖片相比，行為反應時更短，ERP實驗誘發(fā)出更大的頂枕部P1波幅；在低焦慮組，當靶刺激出現(xiàn)在威脅性圖片相反的位置上時，與中性圖片相比，P1波幅更大；N1波幅不受威脅性圖片影響（見圖3）。上述結果提示，威脅性刺激所導致的頂枕部P1波幅增大，反映了威脅性視覺提示對其后的視覺加工具有調節(jié)作用。

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Effects of Emotion on Cognitive Processing: Series of Event-Related Potentials Study

Luo Yuejia1， 2， Huang Yuxia1， 2， Li Xinying1， Li Xuebing1

(1 Key Laboratory of Mental Health， Institute of Psychology， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China)

(2 State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning， Beijing Normal University， Beijing 100875， China)

Abstract: Aiming at the relationship of emotion and cognition， our research group established four series of affective stimulating system including scene pictures， emotional faces， Chinese characters and sounds. Using these materials， we explored the emotional influences on attention and working memory， and the cognitive patterns of trait anxiety persons through series of ERP experiments. The results showed that: a). emotional negative stimuli possessed some kind superiority in several stages of information processing， such as attention， evaluation and reaction readiness， etc. Attentional bias was observed in an implicit task either. It seems that negative stimuli can compensate the shortage of attentional resources to some extent. b). the visual processing was modulated by the former threatening visual cues. High anxious persons intend to pay more attention to them. Further more， threatening visual stimuli influenced the haptic attention， i.e.， it was a cross-modal effect. c). in a spatial working memory task， the amplitudes of P300 were reduced by the negative emotion， while this was not observed in a verbal task. It was inferred that the spatial working memory effect might be mediated by the parietal attentional system.

Key words: emotion， event-related brain potentials， attention， working memory， anxious.

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