认知控制脑电成分N450的特征与心理功能*

(华南师范大学心理学院，广东 广州 510631)

1 N450的电生理特征

1.1 N450的波形特点

N450是一种峰值约为450毫秒，分布于额顶部的刺激锁相(stimulus-locked)脑电负波。它主要在Stroop干扰任务中出现，约于刺激呈现后350-500毫秒之间达到峰值，波幅随刺激干扰效应增加而增大(Chouiter,Dieguez,Annoni,& Spierer,2014)。一般认为，其发生源主要位于额顶中部(Stock,Steenbergen,Colzato,& Beste,2016;Yi,& Friedman,2011；Szucs & Soltész,2008)。其波形图和地形图如图1所示。

图1 N450的波形图与地形图(Larson et al.，2014)

注：(A)为健康被试在传统Stroop色词任务中的ERP波形；(B)为不一致减一致条件的N450差异波的地形图。

N450和经典N400有相似，但也有明显差异。它们一定程度上都在冲突环境中产生，是额顶区域的负波，但N400的潜伏期约在刺激呈现后200-500毫秒，波峰在400毫秒左右(Kutas,& Hillyard,1982,1980)，皮层定位比较广泛，研究争议较大。且N400和语言认知加工有关，对异常刺激敏感，常用实验范式包括语义启动范式和包含异常刺激的语言任务，而N450产生于目标刺激和干扰刺激的竞争，主要在Stroop任务中出现。可见，N450是一种独立的与冲突加工有关的ERP成分。

Stroop任务中，相对于词的颜色与词义一致条件，不一致时产生的N450波幅更大。且很多研究证明，不一致条件比例减小时，N450波幅增大(Killikelly & Szucs,2013;West & Bailey,2012;Tillman & Wiens,2011)。不同年龄段所表现的N450波幅和潜伏期有显著差异，随着年龄增长，潜伏期变长，波幅变大(Mager,Bullinger,Brand et al,2007)。学习困难者的N450冲突效应显著大于正常群体(Liu,Yao,Wang,& Zhou,2014)。

1.2 N450的源定位

研究发现，经典Stroop实验中N450发生源位于前扣带回(Zhu et al.,2018;Hanslmayr et al.,2008;Liotti,Woldorff,Perez,& Mayberg,2000)。West,Bowry,& McConville(2004)通过偶极子分析发现N450产生于前扣带回和前额叶。不同前扣带回结构可能反映了不同的冲突机制。Kim,Kroger & Kim(2011)发现，尾部背侧扣带皮层和知觉冲突加工有关，而前部背侧扣带皮层和反应冲突加工有关。

此外，不少研究表明N450又可细分成两个子成分，涉及的脑区不一样。如，West和Bailey(2012)发现额叶和顶叶的N450和P450效应；Piai等发现N450效应在左半球额中央，在右半球则延伸到中央顶叶(Piai,Roelofs & van der Meij,2012)；Sun等(2013)发现，左前额叶的血动力学信号Stroop效应和中顶叶N450早成分相关，而双侧前额叶Stroop效应和顶叶N450晚成分有关。这些研究结果说明，N450产生于额顶区域，但可能并不只是一个涉及某个大脑结构的简单成分，也提示冲突加工的皮层定位可能不是某个具体的大脑结构，而是复杂的网络系统。

2 N450的心理功能

早期研究认为Stroop任务中N450效应与个体对语义信息的抑制加工有关(Liotti et al.,2000;West & Alain,2000)。随着冲突监控理论的发展，目前大部分研究倾向于认为N450涉及冲突加工。该理论认为，前额叶在认知控制中起着自上而下地调控信息和监控冲突的作用，皮层分布对应内外侧额叶和前扣带回(Botvinick,Cohen & Carter,2004)。当出现冲突信息时，前扣带回所产生的N450代表冲突监控。但有关N450具体体现了知觉冲突还是反应冲突，冲突监测还是冲突解决，仍存在争议。

2.1 研究N450的实验范式

经典Stroop任务中，通过比较色词与颜色不一致与一致条件的差异可获得典型的N450干扰效应。研究者还可采用各种Stroop变式来研究N450。这里重点述评可分离知觉冲突与反应冲突的实验范式。

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2.1.1 旋转判断任务。该任务除包括Stroop颜色和词义一致、不一致、中性条件外，还包含对刺激进行一定角度的左右旋转，及刺激不旋转特征。由于实验只要求根据刺激向左或右旋转作按键反应，因此如果不一致条件下N450波幅仍大于一致条件，就反映了知觉冲突(Li,Wang,Duan,& Zhu,2013)。而该任务虽可区分出知觉水平和反应水平，能否保证实验过程中刺激颜色和词义信息得到知觉加工还有待考虑。

2.1.2 语义Stroop范式。该范式干扰效应源自单词的颜色和联想意义(Schmidt,& Cheesman,2005)，即当单词颜色和单词本身产生的联想意义不一致时，就产生干扰效应。和经典Stroop范式相比，该范式只存在知觉冲突，而不含反应冲突。

2.1.3 2-1反应映射范式。此范式试图从操作水平上分离出两种冲突类型(De houwer,2003)。任务要求对词的颜色作反应，如红色和绿色按左键，黄色和蓝色按右键。任务有三种实验条件，一致条件即颜色和词义一致；知觉不一致条件下颜色和词义不同但两维度的反应键相同(如红色的“绿”)，即知觉水平不一致，但反应水平一致；反应不一致条件下颜色和词与两维度的反应键都不同(如红色的“蓝”)，即知觉和反应水平都不一致。相对于前两种范式，该范式虽可同时分离知觉冲突和反应冲突，但知觉不一致条件的反应设置可能会把错误反应当成正确反应而发生混淆，且近年研究表明，知觉不一致条件是否只有单纯的知觉冲突仍需进一步验证(Hasshim & Parris,2014)。

2.1.4 不一致-重叠范式。此范式要求对单词颜色进行按键反应，如蓝、绿和黄。中性条件为不同颜色的中性词；不一致-不重叠条件下，如黄色的“红”，由于红色没有对应的按键要求，这时有知觉冲突而无反应冲突；不一致-重叠条件下，如黄色的“绿”，黄色和绿色不仅产生知觉冲突，也因都有按键反应而产生反应冲突，因此既包含知觉冲突也包含反应冲突(West,Bowry & McConville,2004)。通过相减法可以实现两种冲突效应的分离。

考虑到各种范式多少有些不足，利用Stroop范式研究N450时，最好增加其他条件或技术，如用肌电图(Electromyography，EMG)同时记录错误反应手和正确反应手的活动，用单侧化准备电位(Lateralized Readiness Potential，LRP)记录与运动准备有关的脑电成分，从而排除其他可能的加工成分。

2.2 N450所反映的心理功能

2.2.1 知觉冲突还是反应冲突

研究表明，Stroop干扰效应包含知觉冲突和反应冲突(Szucs & Soltész,2010;West,Bowry & McConville,2004;De Houwer,2003)。知觉冲突指Stroop任务中颜色维度和字义维度的冲突(Klopfer,1996)；反应冲突指任务反应前，颜色维度和字义维度的反应趋势相互竞争产生的冲突(de Houwer,2003)。关于N450代表知觉冲突还是反应冲突，是N450的心理功能研究的一个焦点。

有研究认为N450反映知觉冲突。Mager等人(2007)要求被试只对Stroop刺激是否一致作按键反应来排除反应冲突，发现任务条件的N450效应显著，说明N450与知觉冲突有关。Szucs和Soltész(2010)结合EMG和erp技术探究色-词Stroop干扰效应时发现，由于一致、不一致和中性条件下都可测得不正确的手动反应活动，而仅在不一致条件下出现N450，因此反应冲突并非只发生在不一致条件中，不一致条件下发生的N450反映的是知觉冲突而非反应冲突。后来很多研究通过不同实验范式也证明了N450与知觉冲突有关(Augustinova,Silvert,Ferrand,Llorca & Flaudias,2014;Killikelly & Szucs，2013;Caldas et al.,2012;Szucs & Soltész,2012)。

而Piai等(2012)认为，从N450出现的时间上看，不管是让被试对图的名称进行口头报告还是按键反应，都在刺激呈现250毫秒后出现类似的N450效应，说明N450效应发生在反应阶段，可能与反应冲突有关。Zhao等人(2015)则通过利用2-1反应映射范式研究发现，N450和反应冲突有关(Zhao,Liang,Juan,Wang,Wang & Zhu,2015)，与以往相同实验范式下的研究结果一致(Chen et al.,2011)。

综合以上两个系列的证据，有关N450到底代表知觉冲突还是反应冲突仍有争议。值得注意的是，冲突可能会有类型上的区别，也可能只是大小的区别，现有的任务范式可能在体现这些冲突类型或冲突大小时有一定局限，使得可能既反映知觉冲突也代表反应冲突的N450未能完全被观察到。为此，我们认为可通过转换研究角度深入研究这个问题，如通过心理功能的有效性检验来确认N450反映知觉水平还是反应水平的加工。Forster和Lavie(2014)发现与任务反应相关的干扰效应和与反应无关的干扰效应是分离的。这两种干扰效应分别设计反应水平的加工和知觉水平的加工。二者对N450心理功能的检验具有建设性意义。

2.2.2 冲突监测还是冲突解决

除了加工类型，也有不少研究从加工阶段的角度探讨N450效应反映冲突监测还是冲突解决。Coderre等通过操纵Stroop任务中单词和颜色信息的时间间隔(Stimulus Onset Asynchrony，SOA)分离冲突监测和冲突解决过程(Coderre,Conklin,& van Heuven,2011)。结果显示，在三种SOA条件下都出现了N450。他们认为，在-400毫秒SOA(单词比色块早出现400毫秒)和0毫秒SOA(单词和色块同时出现)时产生的N450不能区分出它和冲突监测还是冲突解决有关，但在+400毫秒SOA(单词比色块晚出现400毫秒)时，行为反应已经完成，冲突解决也就消失了，因此所产生的成分和冲突监测有关。虽然他们的研究通过SOA的操纵很好地实现了两种冲突阶段的分离，但在-400毫秒和0毫秒SOA时也能观察到N450，从整体上看，N450只和冲突监测有关的结论仍值得商榷。

也有一些研究者认为N450反映了冲突解决。如，Shen等人(2013)通过情绪Stroop任务发现N450的神经发生源在前扣带回，而前扣带回涉及情绪加工并能在情绪环境中促进冲突的解决，因此认为N450和冲突解决有关。如果N450负责监控冲突，那么冲突环境不同时，N450将会发生变化，而研究显示，不管前一试次是否为不一致试次，当前的不一致试次产生的N450波幅都没有显著差异(Larson,Kaufman,& Perlstein,2009)。Ma等(2014)在情绪Stroop任务中发现不一致条件的N450波幅较大，且中央-顶叶的激活更强，因此他们认为N450同时反映了冲突监测与冲突解决。

综上所述，目前有关N450心理功能的研究结果还存在一定争议。造成研究结果不一致的原因可能不仅是实验范式特点不同，还包括对知觉冲突和反应冲突的操作定义不够清晰、两种冲突类型加工过程的同一性和时间上的动态特征不够明确。在探究Stroop的N450效应反映冲突监测还是冲突解决时，大多数研究只通过使用单一Stroop变式对N450所激活的相关脑区功能来区分。今后可通过冲突适应的操纵来进一步探讨此问题。此外，不管哪种冲突，冲突加工的实质是什么？这些问题都需要进一步研究。

2.3 N450的应用

尽管有关N450具体反映何种冲突类型和冲突阶段仍有争议，但N450效应可以作为冲突加工效率的电生理指标，获得了共识。这使N450在特殊人群和个体差异研究中得到应用(Strommer-Davidovich et al.,2018)。Liu等人(2014)在数字Stroop任务中发现，学习困难儿童在额区出现比正常儿童更大的N450波幅。Mangina和Beuzeron-Mangina(2004)曾对多动症儿童和学习困难儿童进行为期8个月的训练，训练后，这些儿童在记忆负荷任务中产生的N450波幅增加，且和正常儿童的波幅无显著差异。可见，特殊儿童和正常儿童在干扰任务中的N450波幅有不同的表现，但经过一定的训练这种差异会消失。这可能反映了特殊儿童在面临干扰时对冲突的监控能力较弱，而这种能力缺陷可以通过训练来弥补。因此，N450或许能作为区别正常儿童和学习困难儿童，以及检验学习困难儿童训练效果的电生理指标。

在认知发展和老化方面，Mager等(2007)发现，中年组在中顶叶上的N450波幅大于青年组，且潜伏期更长。Czernochowski等(2010)发现，中高任务难度下，老年组的N450波幅比年轻组的更大。但也有研究显示老年组在冲突任务中的N450波幅减小(West & Schwarb,2006;West & Alain,2000)。Jongen和Jonkman(2008)的研究结果则显示，知觉冲突水平上，N450的波幅随年龄增大而降低，反应冲突水平上，P450波幅在随年龄增加上呈非线性变化。近年研究发现，不同年龄段在2-1反应映射范式中表现出的N450波幅没有显著差异，但RI条件下，青少年的N450集中在右半球，青年组集中在左半球(Killikelly,& Szäcs,2013)。可见，N450与认知发展和认知老化有关，且可能在不同冲突类型上有不同的变化模式和单侧化效应。

3 小结与展望

综上，研究者用不同范式从不同视角对N450的特点和心理功能进行了研究。明确的是，刺激呈现后300-500毫米左右，冲突条件下的N450波幅大于一致条件，波幅出现在额顶区域；它反映了冲突加工的能力，对学习困难、ADHD等临床群体的认知控制能力测量具有指标性意义。但其所反映的具体心理功能，即反映知觉冲突还是反应冲突，冲突监测还是冲突解决，仍存在争议。

首先，N450心理功能的研究中，对知觉冲突和反应冲突、冲突监测和冲突解决的界定模糊，对结果解释存在过于主观的现象，并且缺乏能更有效分离两种冲突类型的实验范式、技术手段或统计分析方法，造成结论争议较大。或许正是实验方法的局限，导致难以全面地发现N450的心理功能，今后的研究需要找到更有效的范式，验证N450是否和知觉冲突与反应冲突或冲突监测与冲突解决都有关。而且，目前的N450都聚焦在同一感觉通道的干扰效应上，未来有必要多从不同感觉通道的干扰上展开研究，从一个更整体和全面的角度对该成分作进一步探讨并提出相应的理论解释。

其次，N450冲突效应背后的内在心理机制还需进一步探究。哪怕确定了N450的具体心理功能，这种冲突背后的加工机制又是什么？这是当前研究还很少触及的问题。Fan(2014)认为，认知控制的本质并非冲突的监测和解决，也不是对无关信息的抑制，而是对刺激情境中不确定性的解决以及对任务优先性的确定。那么，N450又是如何体现不确定的解决和优先性的确定的？N450在不一致条件下波幅更大，反映了什么样的潜在加工机制，是个体在完成任务过程中的抑制效率问题，加工速度问题，还是不确定性运算的问题？明确这些问题也可以为相应的鉴别和康复训练带来重要的参考价值。

最后，需进一步深化和扩展N450的应用研究。目前N450已经有了初步的应用研究成果，需深入和扩展应用研究，为以N450作为不同群体的认知控制能力指标和不同应用领域的参考标准积累证据，并明确其在应用上的普遍性和特殊性。和其他脑电成分类似，N450存在共识，但在反映具体层面上的心理功能有争议。随着应用研究的深入和扩展，反过来也可检验N450的心理功能，促进对该脑电成分有更深入和全面的理解。未来应进一步探讨N450波幅的增大或减小和不同特殊群体的认知功能是什么样的关系，这些关系模式具有普遍性还是特殊性，可否用N450来做临床诊断或行为绩效的预测。此外，目前N450在学习困难，多动症及认知老化之外的领域应用还不多。在其他与认知控制关系密切的临床领域，如网络成瘾、手机过度使用、冲动控制障碍、强迫症等领域，N450应该有广阔的应用前景。