杏仁核和梭状回时间动力学:对消极面部表情的反应

背景

杏仁核习惯于对重复的人类面部表情做出反应;然而，目前还不清楚这个大脑区域是否习惯于示意图的面孔(即简单的线条画或面部漫画)。使用功能磁共振成像块设计，16名健康参与者被动地观看重复的示意图和人类中性和消极的面部表情。计算感兴趣的解剖区域(杏仁核和梭状回)内的信号变化百分比，以检查神经反应的时间动态和基于面部类型的任何反应差异。

结果

杏仁核和梭状回对面部表情块具有“U”型内反应模式。每次运行的初始块引发了最大的激活(相对于基线)，最后一个块引发了比前一个块更大的激活。在杏仁核或梭状回中，没有检测到示意图和人脸之间的显著差异。

结论

杏仁核和梭状回对面部表情的“U”型反应表明这些区域的初始定向、习惯化和激活恢复。此外，这项研究首次直接比较了大脑对示意图和人类面部表情的反应，大脑反应的相似性表明，示意图的面部表情可能有助于研究杏仁核激活。

人脸通过所描绘的表情提供了关键的社会和情感信息。在一次会面中，一个人的面部表情变化很快，需要快速推断其含义。这种快速或自动处理面部表情的能力在表情预测威胁(例如，恐惧或愤怒)时尤其有利。1］．鉴于快速处理面部表情中的社会威胁线索的重要性，其含义可能通过几个关键特征来传达(例如，扬起的眉毛，愤怒的眼睛和张大的嘴巴)。

面部示意图，简单的线条画或面部漫画，从复杂的面部表情中提取这些特征。捕捉面部表情关键成分的示意图可能对情感研究有用，因为原型相对缺乏混杂特征(例如种族、年龄、吸引力)。几项研究发现，简单的面孔仍然保留着情感意义[2]和示意图面孔激活处理人类面部表情的大脑结构(如杏仁核、前额叶皮层)[3.，这为面部表情的简单表现可以用来研究情绪提供了证据。

众所周知，杏仁核的反应习惯(即，随着时间的推移而减少)重复呈现人类面部表情;然而，目前还不清楚大脑对示意图人脸的反应是持续的还是习惯性的。杏仁核单细胞记录显示重复人脸时的活动减少[4］．此外，神经影像学研究报告了杏仁核和海马形成对重复的恐惧和中性人脸的早期和晚期的块内习惯化[5，6］．据我们所知，只有两项研究报告了对示意性面孔的习惯化效应。在一项涉及人类和示意图的事件相关研究中，有报道称，在社交恐惧症患者中，杏仁核明显习惯化了愤怒的示意图脸，而不是中性的脸[7］．在一项对健康个体的分组设计研究中，杏仁核对示意图脸(愤怒、快乐和中性)的反应一直保持不变[3.];然而，表现顺序(即中性块包围交替的情绪状态)可能抑制了习惯化。

在这项功能磁共振成像块设计研究中，我们使用运行内面部表情(阴性，中性)和运行间面部表情类型(原理图，人类)平衡设计，检查了大脑对示意图和人类面部表情的反应(即杏仁核和梭状回)。这种设计允许在单一实验中检查习惯化和面部类型，而不会受到表现顺序的潜在混淆影响。我们假设，在运行中习惯化效应将被检测到对示意性面部表情的交替块以及杏仁核中的人类面部表情的响应。

面部识别和情绪评级

在扫描后识别任务中，参与者以较高的准确率识别了所查看的人脸(人类:99.0%±4.2，示意图:100%±0.0)。

阴性面孔[示意图阴性:M = 3.4, SD = 1.3，人类阴性:M = 3.6, SD = 1.2]被认为比中性面孔[示意图中性:M = 1.9, SD = 1.3，人类中性:M = 1.9, SD = 1.3，表达效果:F(1,15) = 20.2, p < 0.004)]更具有唤醒性。不同脸型(即原理图和人类)之间的唤醒评级没有差异[脸型效应:F(1,15) = 0.1, p > 0.77]。无交互作用[面部类型x表达:F(1,15) = 0.2, p > 0.66]。

阴性面孔[示意图阴性:M = -2.6, SD = 1.3，人类阴性:M = -2.4, SD = 0.7]被认为比中性面孔[示意图中性:M = 0.6, SD = 0.9，人类中性:M = -0.3, SD = 0.8，表达效果:F(1,15) = 254.0, p < 0.001]更消极。与示意图人脸相比，人脸的评价更差[人脸类型效应:F(1,15) = 3.4, p = 0.09]。此外，愤怒脸和中性脸之间的价值差异在示意图脸比人脸更大[脸类型x表达:F(1,15) = 11.8, p < 0.004]。这种差异是由于人类中性面孔的负效评级高于中性示意图面孔的正效评级[t(15) = 3.1, p < 0.008]。

大胆的激活

在杏仁核中检测到运行中跨块响应的时间效应[时间效应，左:F(3,45) = 11.3, p < 0.001;右:F(3,45) = 11.7, p < 0.001]和梭状回[时间效应，左:F(3,45) = 15.9, p < 0.001;右:F(3,45) = 18.3, p < 0.001](图1)．两个区域均检测到显著的二次响应[所有F>27.6, p < 0.001]。

使用p < 0.01的显著性阈值进行事后检验，以校正多重比较，并显示出“U”型活动模式。在杏仁核和梭状回中，初始块(块1)的反应大于其他块(块2、3和4)[所有区域:T>2.8, p < 0.01]。与杏仁核[两个脑半球:T<1.2, p > 0.2]相反，梭状回的反应趋于逐渐下降(block 2> block3)[两个脑半球:T>2.4, p < 0.03]。此外，在左半球[F(1,15)>5.1, p < 0.04]和右半球[F(1,15)>3.8, p < 0.07]中检测到显著区域(杏仁核，梭状回)x时间(区块2，区块3)相互作用的趋势。右侧杏仁核和双侧梭状回对block 4的反应明显大于block 3[所有区域:T>2.9, p < 0.01]，左侧杏仁核对block 4的反应呈趋势水平显著性[T>2.2, p < 0.04]。

在右侧杏仁核中，趋势情绪x时间效应显著[F(3,45) = 0.06]。因为最初的块产生最大的反应，随后是一个习惯反应，在第一个时间块的反应被进一步调查价效应。与中性面孔相比，消极面孔引起的反应更大[F(1,15)>7.8, p < 0.01]。(图2)．

在杏仁核中没有其他显著的影响(即面部类型)。梭状回内未见明显价态、面型主效应或相互作用。[所有效果:F<1.7，所有p > 0.2]。

在每次运行中，杏仁核和梭状回显示出“U”型反应模式，最初和最后的区块对重复的面部表情的激活程度最高。杏仁核剖面可能反映了最初的定向反应，然后是习惯化，然后是最后一个区块的激活恢复。在皮肤电导反应(SCR)和SCR相关的晚期左杏仁核对重复恐惧面孔的反应中观察到类似的“U”型模式[8］．像恐惧一样，愤怒也会引起高度的兴奋，并可能引发类似的定向反应和皮肤电导反应。激活恢复可能是由于情绪启动[8］．或者，它可能反映自发的恢复或恢复。即使在没有迫在眉睫的威胁的情况下，通过系统重置来保持警惕也可能是一项重要的生存功能[9］．与这一观点一致的是，灵长类动物的电生理学数据表明，杏仁核内的神经元群体对新奇事物的反应最大，熟悉事物的激活程度降低(即习惯化)，在有限次数的重复刺激呈现后，神经元群会重置(即再次显示激活)[4］．

在这项研究中，梭状回的激活也遵循这种“U”型的反应模式;然而，在杏仁核和梭状回观察到不同的时间模式的趋势。在杏仁核中，习惯化发生得很快;然而，在梭状回，习惯化发生得更缓慢。这种延迟的恢复可能是由于杏仁核的增强调节或梭状回的缓慢重置系统。

在右侧杏仁核中，消极面孔与中性面孔是有区别的。我们的发现重复了之前的研究，即右侧杏仁核相对于中性面孔对愤怒做出反应。10，11］．在这项研究中，杏仁核对面部表情的差异反应仅在早期出现，这表明它与杏仁核定向反应有关。虽然一些研究报告了梭状回对情绪脸的激活相对于中性脸，但我们没有发现这样的影响。这可能是梭状回对情绪脸(与中性脸)的差异激活是任务依赖的。梭状回在注意力要求有限的情况下(例如，被动地观看重复的面部表情)对面部刺激的反应更具非选择性[12]，但当需要增加对面部情绪内容的关注时，会表现出一种选择性或差异的激活模式[13］．事实上，从杏仁核到梭状皮层的投射的存在表明，杏仁核可能会根据目标视觉刺激的显著性来调节感觉加工流[14］．

有趣的是，在杏仁核和梭状回中没有检测到示意图和人脸之间的显著差异。在最近的一项研究中，杏仁核对人类和虚拟形象(或计算机生成的面孔)的反应是相似的，但梭状回对人类面孔的反应更大[15］．对于杏仁核的研究，人类和面部表征之间的反应相似性似乎有一些实用性(例如示意图或头像脸)。示意图和头像脸可能对研究情绪感知有用，因为构成神经激活基础的关键面部特征与种族/民族和性别等刺激特征相对隔离，这可能会增加反应的可变性。同样需要注意的是，示意图脸和头像脸可能有助于回答关于利用静态或可移动表征的情感的不同问题(例如，大脑对关键面部特征的反应和大脑对社会情感互动的反应)。

这项研究有一些潜在的局限性。评估神经反应的时间动态依赖于所检查的时间尺度。在这项研究中，研究了跑步内习惯化效应;然而，其他时间尺度(例如，运行之间，块内)可能会显示不同的效果。只有愤怒的脸被用来代表消极的脸。未来的研究应该考察其他表情(如恐惧、悲伤)的时间动态，包括积极的表情(如快乐)。我们的研究结果表明，示意图和人脸在杏仁核和梭状回中引起了大致相似的反应;然而，需要在更大的样本中进行复制。在本研究中，使用了一个单一的样本，将示意图中的表情简化为线条图。虽然使用单个样本可能会有问题，但它确实减少了由于人类面部表情的可变性而造成的混乱。 Finally, although using ROI-based analysis is a more powerful approach for detecting differences in specific a priori regions (i.e., amygdala and fusiform gyrus), this approach does not allow the observation of other regions that may also respond to these stimuli.

总之，随着时间的推移，杏仁核和梭状回对面部表情的反应似乎已经成为习惯;然而，“U”型模式表明，这些结构的反应性重置，可能是为了让注意力重新参与重复出现的刺激。未来更大样本的研究应该调查这种模式是否能区分情绪或刺激类型。

参与者

研究了16名参与者(8名女性，8名男性;M = 26.7, SD = 4.7，范围= 22-41岁)。根据爱丁堡用手习惯量表，所有参与者都是白种人和右撇子。16]，没有精神药物和医学、神经或精神疾病。贝克萧条量表[17]及贝克焦虑量表[18]评分在正常范围内(BDI: M = 0.9, SD = 1.8, BAI: M = 2.4, SD = 2.2)。

这项研究是根据合作伙伴人类研究委员会制定的指导方针批准并进行的。获得每位参与者的书面知情同意。

刺激

参与者观看人脸[19]和示意图面[20.)(图3.)．为了匹配感知刺激的特征，人类和示意图的脸以黑白显示，并按比例缩放，使刺激之间的面部轮廓(不包括头发)完全相同。使用标准化软件(MacStim 2.5.9)和夏普XG-2000 V彩色液晶投影仪(日本大阪)显示面部刺激。

四种不同的人脸身份(两名男性和两名女性)，每个都显示消极(即愤怒)和中性表情，以及一个中性和一个消极(即愤怒)的示意图脸在整个实验中使用。由于示意图中的人脸只有一个身份，所以每个参与者看到的都是一个身份的人脸。由于示意图上的人脸没有固有的性别，参与者所看到的人脸的性别是平衡的。

过程

所有参与者观看了四组5分24秒的人脸。连续两组示意图人脸和连续两组人脸在参与者之间进行了平衡。在每次测试中，参与者内部和外部都平衡了四块负面和四块中性。每个24秒的面块被12秒的低水平固定隔开。所有的跑步都被24秒的低水平固定所包围。该设计改进了早期的研究，并考虑到:1)在整个跑步过程中包括中性块，2)固定块交错，3)设计完全平衡，从而更好地评估习惯化。在人脸块中，参与者观看单个人脸或示意图，重复显示200毫秒，刺激间隔为300毫秒。

在每次跑步前，参与者都被要求保持清醒和警觉，并在眼睛的水平线上看这些脸。扫描后，每个参与者都得到一张面部识别表，显示目标面部以及8个干扰因素:两个示意图(快乐和狡诈的表情)和六个人类(三种不同的身份，分别显示中性和消极的表情)。此外，参与者根据唤醒值(低-高:0-6)和效价(负-正:-3到+3)对示意图和人脸进行评分。

重复测量方差分析(ANOVA)用于评估主观评分的显著差异。采用p < 0.05阈值来确定显著的主效应和相互作用效应。

图像采集

采用Sonata 1.5 Tesla全身高速成像设备，用于回波平面成像(EPI) (Siemens Medical Systems, Iselin NJ)，配有3轴梯度头线圈。在获得自动侦察图像并通过局部shimming程序优化场均匀性后，收集高分辨率3D MPRAGE序列(TR/TE/翻转角度= 7.25 ms/3 ms/7°，1.3 mm平面分辨率，1 mm切片厚度)进行解剖配准和归一化。然后，收集T1-EPI (TR/TE/翻转角度= 8秒/39 ms/90°)和t2加权(TR/TE/翻转角度= 10秒/48 ms/120°)序列来监测扫描仪功能并协助解剖登记。使用梯度回声T2*加权序列(TR/TE/翻转角度= 2.4秒/40 ms/90°)获取功能MRI图像(即依赖于血氧水平或BOLD图像)，丢弃前4次采集以使纵向磁化达到平衡。垂直于ac-pc线获得24个冠状切片(切片厚度:7 mm, 1 mm跳跃，体素大小:3.125 × 3.125 × 8 mm)。采集参数用于最小化内侧颞叶区域的易感性[21］．

功能磁共振成像数据分析

使用Martinos生物医学成像中心的标准处理流程分析功能MRI数据[22］．使用基于afni的算法对功能运行进行运动校正[23，24］．校正后所有运行的平均运动矢量< 1mm，并且在示意图和人脸运行之间没有显着差异。使用三维高斯滤波器对功能数据进行空间平滑(全宽度-半最大值= 7 mm)，并将强度归一化以校正全局信号变化。数据处理包括1)2^nd-阶多项式漂移校正，以解释低频漂移和2)通过美白去除时间自相关[25］．将功能图像与三维结构图像对齐。在登记过程中，将每位参与者的原始功能数据在解剖空间中可视化，以确定杏仁核BOLD信号没有被敏感性伪影所掩盖。在此基础上不排除任何受试者。

根据参与者的表情(中性的，消极的)，对功能性图像进行平均。对于每个表达式，对每个块(1,2,3,4)求平均值，以评估时间方面。对每一种面部类型(示意图，人类)分别进行了平均分解。使用基于解剖学定义的兴趣区(ROI)方法，由麻省总医院形态测量分析中心的训练有素的技术人员在参与者的高分辨率3D MPRAGE序列上手动追踪每个参与者的左右杏仁核[26］．梭状回的定义采用类似的方法，并用作比较区域。解剖示踪用于从每位参与者的选择性平均BOLD图像中提取功能数据。计算每个参与者在每种情况下与固定时的信号变化百分比，并将这些信息输入重复测量方差分析，其中包含受试者内部因素:面部类型(人类，schematic)，表情(中性，阴性)，时间(块1，块2，块3，块4)。每个解剖ROI使用单独的重复测量方差分析。主要效应和相互作用效应。以p < 0.05为显著性。在适当的情况下，使用事后检验和多次比较校正(即使用降低的p值阈值)来评估显著结果的来源。

这项工作已在2006年5月在加拿大多伦多举行的生物精神病学年会上以摘要形式发表。

作者希望感谢凯瑟琳·麦克穆林，米歇尔·韦迪格和丹妮尔·威廉姆斯对数据采集的帮助，以及玛丽·福利和拉里·怀特的技术援助。这项工作得到了罗伯特伍德约翰逊基金会(赖特博士)的支持，以及NCRR (P41-RR14075)和精神疾病和神经科学发现(MIND)研究所对马蒂诺斯生物医学成像中心的资源资助。

作者及隶属关系

1. 精神病神经成像研究项目和马蒂诺斯生物医学成像中心，马萨诸塞州总医院，哈佛医学院，美国马萨诸塞州波士顿

   Jennifer C Britton, Lisa M Shin, Lisa Feldman Barrett, Scott L Rauch和Christopher I Wright

2. 心理学系，塔夫茨大学，梅德福，马萨诸塞州，美国

   Lisa M Shin

3. 波士顿学院心理学系，栗子山，马萨诸塞州，美国

   丽莎·费尔德曼·巴雷特

4. 麦克林医院，贝尔蒙特，马萨诸塞州，美国

   斯科特·劳奇

5. 美国麻州波士顿布莱根妇女医院神经内科认知与行为神经内科

   克里斯托弗·赖特

相应的作者

对应到克里斯托弗·赖特．

作者的贡献

JCB进行了分析并起草了手稿。LMS, LFB, SLR帮助设计研究和修改手稿。CIW构想了这项研究，协调了它的完成，并帮助起草了手稿。

开放获取本文由BioMed Central Ltd授权发布。这是一篇开放获取文章，根据创作共用归属许可协议(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，前提是正确地引用原始作品。

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