基于MATLAB的神經科學工具包Cogent及其編程實現

溫 菲,岳金星

(1.哈爾濱商業大學外語學院，哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業大學 語言文學學院，哈爾濱 150001)

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基于MATLAB的神經科學工具包Cogent及其編程實現

溫 菲1,岳金星2

(1.哈爾濱商業大學外語學院，哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業大學 語言文學學院，哈爾濱 150001)

神經科學研究中，高質量實驗數據的采集依賴于時間精度高、功能強大的編程工具，從而精準的呈現刺激材料和收集受試的反應。Cogent便是這樣一款基于MATLAB平臺的神經科學實驗工具包。該工具包誕生于倫敦大學學院，可呈現并編寫聽覺、視覺以及動畫刺激材料，以應用于行為、腦電、功能磁共振成像等神經科學實驗中。Cogent程序編寫的核心有兩個,第一，需要了解Cogent在呈現不同類型刺激時的特殊句法;其二，成功的編程還在于理解程序腳本、緩存分配和數據文件之間的分配與調用關系。由于Cogent編程語法接近自然語言，十分容易上手，非常適合不同背景的神經科學研究人員使用。

神經科學；MATLAB工具包；編程；刺激呈現

在神經科學研究中，通用實驗編程工具種類繁多，既有像E-Prime，Presentation，Inquisit等付費商業軟件，亦有如DMDX等免費的開放程序[1-2]。隨著數學計算工具MATLAB (The MathWorks Inc.) 的不斷普及，基于該平臺編寫的實驗工具包為神經科學實驗帶來了便利，例如呈現刺激常用的編程工具包Psychtoolbox[3]。基于MATLAB的工具包具有免費，精度高，可擴展性和研究適應性強等特點。本文介紹另一種面世時間不長，面向實驗編寫的MATLAB工具包，Cogent。

一、Cogent簡介

Cogent工具包誕生于英國倫敦大學學院，由于Cogent通過更加易懂的獨立語法調用MATLAB的底層函數[4]，這極大降低了使用的難度[5]。Cogent以卓越三的視覺圖形刺激處理而著稱，亦可以呈現文字和聽覺刺激，并能夠精準地收集受試的反應時間。

Cogent分為三個層次結構[4]。底層結構包括MATLAB、Window操作系統和DirectX工具;中間結構包括以.dll為后綴的低級函數以及MATLAB接口，面向編程人員和高級用戶;最上層為Cogent高級函數包，面向普通用戶，用戶只需要將指令寫入一個m文件(MATLAB腳本文件)，執行即可。

二、Cogent的安裝與程序基本編寫原則

1.Cogent的安裝

在倫敦大學學院神經生物學實驗室的網站上(www.vislab.ac.uk/cogent.php)研究人員可以免費下載Cogent。解壓縮Cogent壓縮包之后會在與壓縮包同名的文件夾中出現3個子文件夾，分別是：Documents，Samples，Toolbox。在Documents文件夾中包括所有和Cogent有關的使用手冊；Samples文件夾中是經過嚴格測試可運行的代碼，供研究人員編程時參考；Toolbox中主要包括Cogent各函數的MATLAB腳本。在MATLAB環境下，用“Set Path”加載Cogent中各文件夾目錄至MATLAB路徑之后，即可運行含有Cogent函數的程序腳本。

2.Cogent程序編寫基本原則

一個可以運行的Cogent實驗程序包括Cogent程序代碼、刺激材料和數據文件。Cogent代碼規定實驗如何運行(例如一個詞呈現時間的長短)；數據文件(可以為txt格式或dat格式)是程序代碼和刺激材料的中介，實驗運行中，Cogent通過讀取數據文件，決定呈現何種刺激;數據文件通常由兩列構成，第一列是想要呈現的刺激(如一個詞)或刺激的文件名(刺激需加單引號)，第二列則是為該種刺激分配的編號。

一段完整的Cogent程序代碼包括三部分：配置語句、實驗起始提示語句和實驗運行語句,三部分缺一不可。

基礎的配置語句有config_display，config_sound, config_keyboard, config_mouse，等。這些配置語句告知Cogent在隨后的實驗中所需要配置的屏幕顯示、聲音播放、輸入設備的參數。

下面以屏幕顯示配置命令config_display為例，介紹研究人員如何根據實驗需要，進行參數設置。在config_display之后添加括號，并為其所包括的8個參數賦值，不同參數間用逗號分開。例如config_display(1,1,[0 0 0],[1 1 1],‘Helvetica’,50,4,0);表示實驗中屏幕為全屏模式，分辨率為640*480，背景為純黑，前景為純白，字體為“Helvetica”，字號為50，分配緩存數為4，顯示每個像點最大像素值。

配置數據文件，同樣必不可少。若數據文件存放路徑與MATLAB環境中的當前目錄相同，則通過命令config_data(‘文件名.dat’)即可配置數據文件，無須添加額外的路徑信息。

在配置語句之后需要用start_cogent提示計算機開始執行cogent實驗代碼，與之相對的是在腳本的最后，需要用stop_cogent語句提示計算機停止程序運行。

在開始和結束提示語句的中間，寫入實驗運行語句。該部分主要包括編寫背景對象、編寫刺激對象和編寫受試反應收集。背景對象主要指實驗過程中呈現相對穩定的對象，例如實驗指導語、屏幕中央注視點“+”號等。針對背景對象編寫代碼最重要的原則是，先將對象放入相應的緩存單元，然后再將其呈現。例如下邊這段代碼可以實現在屏幕上先呈現“+”號，再呈現“&”號，然后再呈現“+”號。

但是，如果之后需要使用相同編號的緩存單位呈現不同的刺激，需要及時將該單位清空，以防止對象重疊呈現。在上例中可以用clearpict(n)命令，其中n代表要清空的緩存單位號(例如1或2)。

與該邏輯相同，呈現實驗刺激時，需要經歷刺激的提取、載入和呈現三個步驟。第一步提取刺激。由于刺激呈現往往需要參考數據文件，因此，通常首先用getdata(r，c)語句讀取數據文件中的內容，括號中r定義的是讀取數據文件中矩陣的行數，c對應的是列數。如果刺激來自文件，載入文件的同時應分配給其相應的緩存單位。用loadpict( ‘文件名.擴展名’，n)命令載入圖片文件，用loadsound( ‘文件名.wav’，n)載入聲音文件，文本刺激用preparestring( ‘文本’，n)語句載入，n代表編程人員為其分配的緩存單位編號。第一步與第二步的順序根據實驗需要可以做相應的調整。第三步呈現刺激。視覺刺激通過drawpict(n)來呈現。聲音刺激通過playsound(n)和waitsound(n)的命令組合來呈現，前者指示Cogent播放緩存n中的聲音刺激，waitsound(n)表示直到緩存n中的聲音刺激播放完畢再進行其他操作。

三、范例

1.呈現文字刺激

在以語言為對象的神經科學研究中，文字刺激的呈現必不可少，下邊結合Cogent自帶的范例1介紹關鍵語句(程序代碼中的%號后面的文字是對代碼語句的解釋說明)。

config_display; %采用缺省參數配置屏幕呈現

config_data('sample1.dat'); %從sample1.dat中讀入數據

start_cogent; for i=1:countdatarows

word = getdata(i,1); % word=表示賦值給word。

clearpict(1);

preparestring(word, 1);

drawpict(1); %此時刺激呈現在屏幕上。

wait(1000);

來自于阿美或自他承包商，有能力、經驗和資格識別腳手架安全風險，驗證腳手架是否符合阿美相關標準要求，同時記錄腳手架檢查及驗收結果。腳手架檢查工程師也必須經過阿美認證，其證書有效期也是三年

drawpict(2);

wait(1000);

end %當for循環在i所有可能的取值運算結束后，在此結束for循環，程序繼續向下運行。

drawpict(2);

stop_cogent;

上述代碼第四行for i=1:countdatarows中是一個for循環語句,表示i的值從1開始取，“:” 表示“直到”，例如1:3表示1,2,3；countdatarows為Cogent語句，表示返回數據文件中的行數，如果數據文件中有3行數據，則返回3。for循環語句將在i每取一個值的情況下運行一次，每次運行至end再重i的另一個取值開始運行。當運行完i所有的取值后，for循環結束，并開始執行end之后的代碼。

2.反應時數據的收集

在神經科學實驗中，反應時間對于研究至關重要。用Cogent可以通過編寫簡單的代碼，精確地收集到這個指標。收集到的數據將被存儲在與代碼同名但擴展名為.res的結果文檔中，受試反應的錄入情況將完整地記錄在擴展名為.log，文件名為‘Cogent-YYYY-MM-DD-HH-MM-SS.log' 的日志文檔中，其中“YYYY-MM-DD-HH-MM-SS”分別以實驗結束時的“年-月-日-小時-分鐘-秒”來命名。為了生成這兩個重要文件，需要在配置命令中添加針對結果文件和日志文件的配置語句。下面結合范例7，介紹具體代碼。該范例中，在文字刺激后，受試需按鍵盤錄入反應。代碼實現的功能為呈現刺激，記錄不同試驗(英文為trial，指實驗中允許完成一次測量的實驗單元)中受試的按鍵，并計算反應時。實驗結束后，日志文檔和結果文檔既可以直接在MATLAB中讀取，也可以通過Windows操作系統自帶的記事本打開，檢查結果十分方便。

config_display(0);%0表示在窗口而非全屏模式下顯示

config_data( 'sample7.dat' );

config_log; %配置日志文檔

config_results('sample7.res'); %配置結果文檔

config_keyboard; %配置鍵盤

start_cogent;

preparestring('+',2); %將注視點‘+’載入緩存2中央

for i=1:countdatarows

code=getdata(i,1); %在數據文件第i行第1列提取編碼信息存入變量code

word=getdata( ,2); %在數據文件第i行第2列提取文字刺激存入變量word

logstring(code); %將編碼信息寫入日志文檔

logstring(word); %將文字刺激寫入日志文檔

clearpict(1);

preparestring(word,1);

drawpict(2);

wait(1500);

drawpict(1);

t0=time; %記錄文字刺激呈現時間點，并賦值給變量t0

logstring( t0 ); %將當前時間點信息寫入日志文檔

clearkeys; %清除所有鍵盤錄入信息

waituntil(t0+500); %文字刺激呈現后持續(等待)500毫秒

drawpict(3);

waituntil(t0+1000); %清屏，直到文字刺激呈現后1000毫秒

readkeys; %讀入所有鍵盤輸入信息

logkeys; %將鍵盤輸入信息寫入日志文檔。以下代碼的功能是檢查鍵盤錄入并計算反應時

[key,t,n]=getkeydown; %getkeydown命令檢查鍵盤輸入并計算反應時

if n==0 % if-else語句的起始條件，通過“==”做邏輯判別，表示“當沒有鍵盤輸入時”

response=0; %鍵盤錄入信息沒有，記為0

rt=0; %反應時間無法計算，記為0

elseif n==1 %嵌套if語句，意義為：當出現一個鍵盤輸入時

response=key(1); %鍵盤錄入信息記為key(1)的值

rt=t(1)-t0; %反應時為鍵入反應的時間點與刺激呈現開始時間點之差

else %if-else語句的其他條件，即其余情況(如同時按下多個)按鍵

response=0; %鍵盤錄入信息記為0

rt=0; %反應時記為0

end %if-else語句結束

addresults(word, response, rt); %將文字刺激，按鍵信息，反應時寫入結果文檔

end %for循環結束

stop_cogent;

四、結語

Cogent工具包具有免費、精度高、編程上手容易、結果檢查便利等特點,與其他實驗軟件相比，Cogent在功能與操作上與商業軟件Presentation相當[2]；與免費軟件DMDX相比[6]，其功能更為全面，查看結果更容易。

但是，Cogent僅在Window2000操作系統，MATLAB 6.0和6.1環境下經過完整的測試[4]。與早期的E-Prime相似[7]，Cogent不支持漢字顯示，呈現漢字時需將其轉換成為圖片格式。考慮到其諸多優點，對于編程經驗不多的學生和研究人員來說，Cogent無疑是一個很好的選擇。

[1]宮大志,李壽欣.多種心理學實驗生成工具的比較分析[J].實驗室研究與探索,2008,27(10).

[2]馮成志,賈鳳琴.心理學實驗軟件Presentation的應用[J].實驗室研究與探索,2009,28(4).

[3]MATLAB[EB/OL].Natick,Massachusetts:The MathWorks Inc.,2012.

[4]Cooper, R, Yule, P. COGENT: An environment for the development of cognitive models[A].In Schmid,U.,Krems, J. F., & Wysotzki, F.(eds.) A Cognitive Science Approach to Reasoning, Learning and Discovery[C], Pabst Science Publishers,Lengerich,Germany.1997：55-82.

[5]Laboratory of Neurobiology[EB/OL].http://www.vislab.ucl.ac.uk/cogent.php,2012.

[6]更柳娜,張鵬.DMDX心理學教學平臺及其應用[J].現代遠距離教育,2009,(121).

[7]陳慶榮,單艷紅,鄧鑄.E-Prime實驗系統及其在心理學中的應用[J].實驗室研究與探索,2006,25(12).

[責任編輯:趙天睿]

2015-11-20

教育部基金資助項目(12YJCZH262)

溫菲(1980-),女，黑龍江哈爾濱人，講師，主要從事神經語言學、教學法研究;岳金星(1982-)，男，吉林長春人，講師，博士,主要從事言語的神經基礎研究。

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1008-7966(2016)01-0154-03