前额叶皮层的神经反应会随着双眼竞争中的颜色差异而变化：来自fNIRS的证据

《Brain and Cognition》：The neural response of the prefrontal cortex varies with the color difference in binocular rivalry: Evidence from fNIRS

双目色竞争中前额叶皮层动态响应及行为关联研究，采用fNIRS结合反应时分析，发现质心值较均值更敏感，前额极区（FPA）对微小色差敏感，背外侧前额叶皮层（DLPFC）在显著冲突时激活，揭示PFC亚区分工调控视觉冲突整合。

　　这项研究探讨了双目颜色竞争（binocular color rivalry）过程中前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）的动态神经反应及其与行为表现之间的关系。双目颜色竞争是一种经典的视觉冲突范式，它为理解感知竞争和认知控制机制提供了独特的视角。在该研究中，研究者采用功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）来分析当双目颜色差异增加时，PFC的激活模式以及这些神经反应如何影响行为表现。研究结果表明，随着颜色差异的增加，PFC的激活呈现出非线性变化趋势，同时伴随着感知中心的后移和反应时间（reaction time, RT）的减少，这暗示了感知处理与行为反应之间存在紧密的联系。

研究中特别强调，基于感知中心的分析方法相较于传统的平均值分析更加敏感。感知中心是指在时间维度上信号的加权平均位置，这种方法能够更准确地捕捉感知竞争过程中的细微变化。研究发现，即使在颜色差异轻微增加的情况下，前额极区（frontopolar area, FPA）也表现出显著的神经活动差异，这突显了FPA在精细监控感知竞争中的关键作用。相比之下，背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）则在颜色差异显著增加时才显示出显著的参与度，这表明DLPFC主要负责在感知冲突增强时分配注意力资源。

这些发现揭示了前额叶皮层不同子区域在视觉冲突过程中如何整合感知和认知功能。研究者指出，视觉冲突的协调依赖于感觉和认知信息的整合，而这种整合机制在PFC中具有特定的神经基础。通过使用fNIRS技术，研究能够系统地追踪PFC在不同颜色差异条件下的激活模式，从而揭示其在感知冲突过程中的动态调控作用。此外，研究还强调了fNIRS技术的优势，如其对运动伪迹的高抗干扰能力、不受电磁噪声影响以及便携性，使得研究者能够在自然条件下对被试进行实验。

研究中引入了基于感知中心的分析方法，作为传统平均值分析的补充，以更全面地刻画PFC在双目颜色竞争过程中的动态反应特性。通过同时分析平均值和感知中心的血流动力学特征，研究者能够更准确地捕捉PFC在不同感知冲突程度下的神经活动变化，从而为理解视觉冲突的解决机制提供新的视角。研究者还指出，这种方法不仅能够揭示PFC的激活强度，还能够捕捉其在时间维度上的动态变化，有助于构建更精细的感知冲突模型。

在实验设置方面，研究者使用了NirSmart-6000A设备（Danyang Huichuang Medical Equipment Co., Ltd., 中国）来连续测量和记录被试在任务期间大脑氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的浓度变化。该系统包括近红外光源（发光二极管，LED）和雪崩光电二极管（avalanche photodiodes, APD）作为检测器，使用730 nm和850 nm两种波长，并以11 Hz的采样率进行数据采集。实验中使用了6个光源，以确保数据的准确性和可靠性。

在分析结果方面，研究者展示了在五种红绿条件下的HbO浓度变化（见图5）。观察到一个明显的非线性趋势：HbO水平从RoRG1到RoRG4逐渐上升，而在RoRG5时则下降，这表明在中等至高水平的色觉冲突中，PFC的参与达到峰值。此外，图6(a)展示了14个通道中的大脑激活空间分布。在RoRG1和RoRG2条件下，激活水平较低，而在RoRG3和RoRG4条件下，激活范围广泛，这进一步支持了PFC在感知冲突增强时的活跃性。

研究还发现，随着颜色差异的增加，反应时间（RT）显著减少，这表明行为表现与感知冲突之间存在直接的联系。同时，基于感知中心的分析方法显示出更高的分类准确性，能够更敏感地捕捉神经处理的时间动态。这为理解视觉冲突的解决机制提供了新的视角，同时也为研究如何通过颜色差异调节感知和认知过程提供了重要的依据。

研究者还回顾了相关的实验方法和技术，如使用EEGNet分类和ERP分析来研究双目颜色竞争中的感知冲突。例如，Lv等人发现，当颜色差异增加时，P300振幅下降，这表明早期视觉区域在解码色觉冲突中的重要作用。此外，Mou等人通过EEG研究发现，双目颜色差异对PFC的激活模式具有显著影响，这进一步支持了颜色差异在感知冲突中的关键作用。

研究者还提到，使用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技术的研究发现，双目颜色竞争中的感知交替与更高层级视觉区域（如V4、MT）中的BOLD信号变化密切相关。这表明，意识感知是由竞争的皮层表征决定的。同样，Wunderlich等人通过fMRI研究发现，双目颜色竞争会调节整个视觉层级的激活模式，揭示了视觉皮层中层级竞争的分布网络。

尽管这些研究方法在一定程度上揭示了视觉冲突的神经机制，但它们主要集中在静态对比条件下的感知活动，未能充分捕捉到更高阶脑区在感知冲突过程中的动态调控反应。相比之下，fNIRS技术能够持续测量皮层氧合动态，从而更适合研究长时间感知冲突中的PFC调整过程。因此，本研究采用了fNIRS与行为反应时间（RT）相结合的方法，系统地分析了PFC在双目颜色竞争过程中的动态反应特性。

通过这种双重指标框架，研究者不仅能够揭示PFC的激活强度，还能够捕捉其在时间维度上的动态变化，从而为理解视觉冲突的解决机制提供更全面的视角。此外，研究者还分析了不同ΔE*_ab条件下PFC的反应模式和功能特化，以进一步阐明色觉差异如何招募更高阶的调控机制，并为构建视觉冲突的层级模型提供依据。

研究者强调，本研究的发现不仅为理解PFC在双目颜色竞争中的作用提供了新的视角，还揭示了感知冲突与认知控制之间的复杂关系。通过引入基于感知中心的分析方法，研究者能够更敏感地捕捉PFC在不同感知冲突程度下的神经活动变化，从而为构建更精细的感知冲突模型提供了重要依据。此外，研究还表明，ΔE*_ab的增加不仅影响神经反应，还对行为表现产生显著影响，这为理解色觉差异在感知冲突中的作用提供了新的线索。

总之，这项研究通过结合fNIRS与行为反应时间（RT）的测量方法，系统地分析了双目颜色竞争过程中PFC的动态神经反应。研究结果表明，PFC的激活模式与色觉差异之间存在非线性关系，同时，基于感知中心的分析方法相较于传统的平均值分析更加敏感，能够更准确地捕捉感知竞争过程中的细微变化。这些发现为理解视觉冲突的神经机制和认知控制过程提供了新的视角，并为未来的相关研究奠定了基础。