应用视觉事件相关电位Nogo-P3 评定屈光不正眼的视敏度

贾富全，张馨元，罗方亮，熊妍荷，程龙龙，刘技辉

1.中国医科大学法医学院，辽宁 沈阳 110122；2.内蒙古医科大学基础医学院，内蒙古 呼和浩特010059

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，视觉诱发电位（visual evoked potential，VEP）技术在视敏度客观评定中已得到广泛应用[1-5]，但VEP 的许多刺激参数如刺激图形对比度、亮度、刺激野等都对测定的视敏度有影响[6]，并且因研究对象、实验条件以及被试者的配合程度不同，VEP 结果间差异也较大。另外，VEP 反映的是从视网膜视神经至枕区初级视皮层的电位活动，只是大脑对视觉刺激的早期反应[7]，所以并不适用于视敏度认知过程中大脑皮层通路高级阶段的相关研究[8]。

随着脑电技术的发展以及对脑神经科学研究的深入，应用事件相关电位（event-related potential，ERP）技术研究视觉信息的脑加工特征取得了一定进展。ERP 由SUTTON 等[9]于20 世纪70 年代提出，是指给予一种特定的刺激作用于神经系统特定部位时，在脑区所记录到的电位变化，其成分主要包括易受刺激物理特性影响的外源性成分和不受刺激物理特性影响的内源性成分。外源性成分主要包括P1、N1、P2 等，内源性成分主要包括N2、P3 等。P3 是在研究ERP 和认知过程中应用最为广泛的成分[10]。

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 视敏度ERP 实验的基本刺激图形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1m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 刺激图形开口方向及视角Fig.2 Direction and visual angle of stimulation patterns

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。计量资料采用表示，对各组间P3 潜伏期和波幅的差异进行单因素方差分析，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 Nogo-P3 的波形图及脑区分布特征

本研究4 组不同视角大小的Nogo 刺激图形均引出P3 成分（图3）。图4 显示，Nogo-P3 主要分布于近中线电极且前额区诱导的波幅较大。

图3 Nogo-P3 的波形图Fig.3 Nogo-P3 waveforms

图4 Nogo 刺激300～600 ms 的脑电地形图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）。

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）。

表1 Fz 电极处各模块Nogo-P3 的潜伏期和波幅Tab.1 Latency and amplitude of Nogo-P3 in each module of Fz electrode（n=52，）

表1 Fz 电极处各模块Nogo-P3 的潜伏期和波幅Tab.1 Latency and amplitude of Nogo-P3 in each module of Fz electrode（n=52，）

注：1）与Nogo 刺激视角1°15′视角比较，P＜0.05；2）与Nogo 刺激视角55′视角比较，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

P3 波是在刺激后300 ms 左右出现的正向波，反映了受试者对信息的处理能力、反应能力以及注意和记忆等多种认知功能，是ERP 中最受重视的成分[12-13]。P3 波主要起源于额部以及顶颞枕交界区的皮层联合区，受皮质下一些重要核团调控。这种多个区域与皮质下核团的相互作用和相互联系是P3 波发生的基础。研究[14-15]表明，P3 受相关任务、主观概率、刺激的重要性、注意程度、事件决策、情感因素及记忆力等多种因素影响。其中，靶刺激的概率对P3 波幅的影响较大，而P3 的潜伏期与任务难度有重要关系，当分类任务越难、刺激越复杂，P3 的潜伏期越长；反之，P3 潜伏期则变短。

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。