并非你所期望的：经验而非期望预测人类视觉皮层和辅助皮层的条件反应

摘要

当与厌恶性事件配对时，视觉条件刺激（CS）会在视觉皮层激发更多的激活。然而，尚不清楚这些变化是否反映了认知过程，如对厌恶性无条件刺激的期望（US），或对意识外偶然事件的内隐联想学习。在这里，我们使用“赌徒谬论”现象来参数化和反向操纵美国的期望值和条件试验的数量：增加CS与美国配对的数量与参与者预期美国的可能性较小有关，反之亦然。CS在枕部和辅助运动区诱发的磁皮层活动与联想强度（CS–US配对的数量）呈线性相关，但随着期望值的增加而减少。这些结果表明，大脑皮层对恐惧线索处理的促进作用是由联想强度和之前接触学习意外事件决定的，而不是由对美国的认知预期决定的。

介绍

适应过去负面经历的能力对生存至关重要。因此，了解威胁信号和它们预测的潜在危险之间的偶然性被认为是跨物种最普遍的适应性行为(LeDoux 1996年). 巴甫洛夫恐惧条件反射可能是对这种学习研究得最好的实验室模型。在恐惧条件反射过程中，一个以前无害的刺激在与厌恶事件配对后，成为条件反射恐惧反应的有效诱发因素。

研究表明，成功学习CS-US（非条件刺激）关系后，与条件刺激（CS）模式相关的初级感觉皮层的激活增加(Buchel等人，1998年；LaBar等人，1998年；Fischer等人，2002年；Cheng等人，2003年；Knight等人，2004年；莫拉蒂和凯尔2005；Moratti等人，2006年). 这被解释为初级感觉皮层内神经局部网络的短期可塑性，从而有效地检测和处理威胁线索(Keil等人，2007年).

与注意力和期望等认知因素相关的自上而下调制可以促进视觉皮层对恐惧相关刺激的处理(2007年Vuilleumier和Driver). 然而，条件自主反应，如皮肤电导(哈姆和瓦特1996；Hamm等人，2003年；Knight等人，2003年)和条件杏仁核激活(莫里斯等人，1998年,1999,2001；Whalen等人，1998年；Williams等人，2004年)已证明独立于对CS–US突发事件的自觉意识（但请参见Pessoa等人，2005年方法上的考虑）。杏仁核和视觉皮层之间的直接联系表明，内隐学习机制可以在无意识过程的情况下作用于视觉处理(Ohman等人，2007年). 此外，莫拉蒂等人（2006）已经表明，在CS–US采办期间，如果没有激活恐惧系统，仅对美国的期望不足以选择性地调节视觉皮层以应对威胁，这也表明学习和经验的关键作用。鉴于这一证据，目前尚不清楚威胁线索的增强视觉处理在多大程度上代表了美国期望驱动的陈述性注意过程，或者，由于内隐学习导致视觉系统及其传入结构的短期可塑性变化。

在眨眼调节领域，佩鲁切特（1985）介绍了一种评估预期和条件反射强度相对重要性的范式。将1、2、3和4 CS-US和1、2，3和4个CS-单克隆试验的序列混合，以便美国在50%的试验中遵循CS。受试者被要求对两次试验之间发生US的可能性进行评级。尽管关联强度随着1-4次CS–US试验的顺序增加而增加，但受试者对US外观的期望呈线性下降；一种被称为赌徒谬论的现象。因此，条件反应（CR）概率随关联强度增加而增加，尽管美国期望值降低（另请参阅Clark等人，2001年).

当前研究的目的是检查CS–US关联导致的视觉皮层激活的增加是否是US预期或纯关联强度的函数。由于Perruchet范式使用的试验数量较少，这种设计的使用带来了一些方法学问题，因为神经成像方法通常依赖大量试验来获得足够的信噪比。脑磁图（MEG）记录的稳态视觉诱发场（ssVEF）代表了即使在单个试验水平上也具有高信噪比的神经磁振荡脑反应(Keil等人，2008年). ssVEF可以通过在固定频率下以亮度调制模式呈现视觉刺激来记录(里根1989)并以与驱动刺激相同的基频在神经网络中表示刺激锁相振荡(Moratti等人，2007年). 此外，ssVEF和/或稳态视觉诱发电位（用脑电图记录的ssVEP）已被证明受到注意过程的振幅调制(Morgan等人，1996；米勒和希尔雅德2000；Muller和Hubner 2002)和/或通过情绪唤醒(Kemp等人，2002年；Keil等人，2003年；Moratti等人，2008年). 因此，我们认为ssVEF非常适合用于Perruchet范式，以研究恐惧条件反射期间视觉皮层振幅增强中预期和联想强度的相对重要性。

通过集中呈现以12.5 Hz调制5 s的光栅图案亮度，我们使用MEG测量了ssVEF。在50%的试验中，光栅与包含95-dB声白噪声的US配对（延迟调节）。为了研究美国期望值与联想强度对视觉处理的影响，我们提供了1、2、3和4个CS–US对和CS-单克隆试验的混合序列（见上文）。在每次试验之间，受试者都会告知他们在随后的试验中出现美国症状的预期。如果增强的视觉皮层激活取决于美国的期望值，则源于视觉皮层的ssVEF振幅应随着期望值的增加而增加。相比之下，如果增强的CS处理仅依赖于关联强度（CS–US配对的数量）而不是US-预期，则视觉皮层中的ssVEF振幅应随着CS–US对数量的增加而增加，尽管US-预期降低。图1分别描述了预期和关联强度理论假设下的假设ssVEF振幅变化（参见。佩鲁切特1985).

材料和方法

参与者

14名右利手受试者（8名女性）在给予书面知情同意后参与了本研究。样本的平均年龄为26.2岁（范围为22-57岁）。所有受试者视力正常或矫正至正常，无癫痫家族史。受试者因参与而获得15欧元或班级学分。当地道德委员会批准了这项研究。

刺激与实验设计

视觉CS是一个灰度45°光栅（0.31周期/cm，方波）。使用视频投影仪（JVC DLA-G11E）和镜子系统将CS投影到磁屏蔽MEG室的屏幕上。CS在水平和垂直方向上均与8°的视角相对，并居中显示。美国是一种95-dB的声压级（SPL）白噪声，通过连接到声音放大器的空气管系统以双耳方式瞬时发出（4D神经成像，ASG 1996）。在每次CS-单独试验中，CS以12.5 Hz的正弦亮度变化呈现5 s，以诱发ssVEF。CS–US试验与单独CS试验的不同之处仅在于CS发作后4 s出现US持续1 s。US在CS发作后5 s与CS共同终止。

实验设计的模型如下佩鲁切特（1985）（另请参见Clark等人，2001年)：156项条件反射试验分为1、2、3或4组CS-US配对试验和1、2，3或4个CS-单克隆试验。在跑步过程中和跑步过程中的试跑过渡没有不同。在每次试验之间，受试者必须为下一次试验的美国期望值打分。对于每个受试者，运行顺序是随机的，但仅限于满足表1在每个订单中，美国的概率与行程长度无关。美国的概率是50%。在CS偏移和受试者的美国期望评分之间，引入了2秒的间隔。受试者的反应触发了一个在4到8秒之间随机变化的试验间隔。

程序

在给予知情同意后，对受试者的头部形状和5个指标点（鼻根、左右耳周点和前额的另外2个位置）进行数字化，以获得MEG传感器的相对头部位置。然后，将2个Ag/AgCl电极贴在左右外眦附近，2个贴在右眼上方和下方。右乳突上的电极用作接地。最后，受试者的头部被放置在MEG头盔中。

经过美国期望评级培训（参见补充材料方法），开始实验环节和MEG记录。首先，向参与者展示了10个单独的CS-试验，说明他们不会接受任何美国试验（习惯化试验）。然后，受试者被告知，从现在起，50%的试验将在美国进行，在每次试验之间，他们必须评估他们在美国对即将到来的试验的期望。实验结束后，受试者被告知赌徒谬论的意图挑衅，并因参与而获得报酬或学分。

数据采集和处理

使用148通道全头部系统（Magnes 2500 WHS，4D Neuroimage，加利福尼亚州圣地亚哥）以254.3 Hz的频率连续记录MEG并进行数字化。在线应用0.1–50 Hz的带通滤波器。EOC使用Synamps放大器（Neuroscan，El Paso，TX），使用Ag/AgCl电极进行。采用与MEG记录相同的采样率和在线过滤器。

原始MEG数据离线过滤（0.1 Hz高通，6 dB/倍频程斜率，30 Hz低通，48 dB/倍频程斜度）。然后，从数据中提取CS开始前后的时间点，刺激前基线为0.5 s，刺激后间隔为4 s，并校正基线。12.5-Hz CS闪烁的最后一秒没有进行分析，因为在CS–US试验中，美国可能引入了伪影（例如，惊吓反应）。EOC测量的所有被眼睛伪影污染的时期都被从分析中丢弃。振幅大于3皮克特斯拉的纪元被丢弃。最后，目视检查所有纪元是否存在其他伪影（运动），必要时予以消除。

提取ssVEF

为了分析视觉系统中ssVEF幅度随试验类型（CS–US配对与单独CS配对）和游程长度（1、2、3和4的试验序列）的变化，提取了感兴趣的游程长度和试验类型后第一个历元的ssVEF。例如，为了评估最低US期望值（见结果）和最高调节强度下的ssVEF，分析了连续4次CS–US配对后的第一个历元。可以从中推断表1，这种情况只发生了3次（运行次数），因此产生了3个时期。在工件被拒后，至少需要2个这样的时间。在伪影剔除后有3个时间段的受试者中，随机选择2个时间段。

通过在稳态设计中使用移动窗口程序，可以从甚至单个时间段提取可靠的ssVEF信号(Keil等人，2008年). 因此，0.4-s窗口（包含12.5 Hz振荡的5个周期）在历元的前2 s内以0.08 s的步长移动（一个12.5 Hz周期）。这样做了2个时期，产生了42个长度为0.4-s的移动窗口，随后对其进行了平均。该段包含时域中CS呈现前2 s的ssVEF的5个周期。随后的2秒CS演示也进行了同样的操作。

对于1、2和3个试验的运行长度，分别有24、12和6个时间段（参见表2). 然而，为了保持整个行程的平均数不变，避免不同的信噪比（稍后进行比较），从6个、12个和24个可用的时间段中随机选择了2个时间段。因此，应用上述移动窗口程序，针对每个运行长度（1、2、3和4序列）、试验类型（CS–US、CS-单独）和受试者获得了包含5个12.5-Hz ssVEF响应周期的早期和晚期片段，基于42个平均值。

通过应用快速傅里叶变换，将得到的ssVEF平均值转换到频域。提取12.5-Hz傅里叶分量的实部和虚部，以反映刺激锁定的ssVEF活性。

震源重建

使用12个最小范数估计（MNE）对每段（CS呈现的前2秒和后2秒）、运行长度（1、2、3、4）、试验类型（CS–US和CS-单独）和受试者在12.5赫兹刺激驱动频率下的ssVEF潜在电流源密度进行了估计使用BrainStorm中实现的标准Tikhonov正则化(http://neuroimage.usc.edu/头脑风暴/). 蒙特利尔神经研究所（MNI）幻脑(Collins等人，1998年)用7204个表面偶极子作为脑模型。该MNI偶极子网格（7204个节点）用于使用基于重叠球体的头部模型计算正向解（对于每个通道，将局部球体拟合到下面的头部形状点）(Huang等人，1999年). 通过向MNE分析提交12.5-Hz傅里叶分量的实部和虚部，在频域中计算MNE，如下所述Jensen和Vanni（2002），并通过使用2个MNE变换的傅立叶部分的平方和的平方根作为绝对源强度的估计（另请参见Moratti等人，2008年).

统计分析

基于早期发现(佩鲁切特1985；Clark等人2001)在4、3、2和1个CS-单独和1、2、3和4个CS-美国试验的运行长度之间，预计会有很强的线性关系，用于美国预期评级（参见图1). 因此，线性F类根据建议进行对比Rosenthal和Rosnow（1985）符合这8种条件。这个过程可以被概念化为一个重复测量方差分析，用描述假设衍生模型的系数加权每个因子水平的平均值。这里，系数被选择来形成一个线性序列，反映了竞争假设下的预期模式。

本研究的目的是测试视皮层ssVEF振幅是否随预期或条件反射强度线性增加（参见图1). 因此，在4、3、2和1 CS-单独和1、2、3和4 CS-US条件下的线性F对比（参见图1)在MNI大脑的7204个源位置为第一次和随后的2 s CS呈现建模。12.5-Hz驱动刺激频率下的MNE ssVEF源强度作为8种条件下线性对比的因变量。

为了控制7204次比较的家庭误差，关键是F类α水平0.01对应的值来自非参数置换测试(Karniski等人，1994年). 在每次抽签时，8种条件的MNE振幅在不同条件之间随机移动，因为零假设是条件之间没有差异。然后，线性F类在MNI大脑的7204个偶极子位置计算对比度。7204年中最大的F值F类对比度进入排列分布。该程序重复了1000次（1000次抽签），得出了零假设下的排列分布。关键F类表示显著线性对比度的值(P（P）<0.01）来自排列分布的99%百分位。显示的源群集F类值大于临界值F类值被认为是8种条件下ssVEF振幅调制线性增加或减少的大脑区域。

模拟研究

当前研究设计的一个主要问题是在不同条件下保持ssVEF提取期间的平均数不变（见上文）。因此，随机选择了导致42个移动窗口平均值的每种情况的2个时段进行进一步分析。然而，所获得的结果可能针对选定的试验，选择不同的时期可能会导致不同的结果。因此，我们通过随机选择（不替换）不同的历元复数（详细信息请参见补充材料方法）。当100次重复中至少有60次再次导致显著的F值时，MNI表面偶极子位置的线性对比被认为是观察到的可能性更大（二项式精确测试H₀:P（P）= 0.5; 100次成功中的60次：P（P）< 0.05).

结果

行为数据

测量每次试验之间的美国期望值，以评估受试者是否应用了之前利用相同实验设计的研究中报告的“赌徒谬论”(佩鲁切特1985；Clark等人2001). 在本研究中，受试者在美国期望值和条件反射强度之间表现出强烈的负线性关系(F类_1,98= 166,P（P）< 0.0001). 随着CS–US配对数量的增加，美国期望值下降(图2).

磁皮质数据

本研究的目的是研究视觉CS的ssVEF振幅是如何随着条件反射强度的增加（4、3、2和1个CS-单独；1、2、3和4个CS-美国试验：8个条件）以及同时降低美国期望值而调制的。在应用震源定位之前，分别从MEG数据中提取了每种情况下以及CS发病后第一和随后2 s的5个ssVEF振荡周期（见方法）。图S1（参见补充材料)描述了CS–US和单独CS演示中4个序列中每个序列的ssVEF信号的5个周期。

在CS闪烁的前2秒，位于枕叶的右半球源簇显示振幅随着条件反射强度的增加而增加(图2; 线性对比：基于置换的临界F类= 13.4; 见峰值F类重要源集群中的值表2). 在随后的2 s CS表现中，在枕叶皮层未观察到这种振幅调制。然而，在左侧和右侧辅助运动区（SMA）发现同一方向上的线性趋势较弱，但仍然显著(图2; 线性对比：基于置换的临界F类= 8.6; 看见表2对于的峰值F类重要源集群中的值）。

模拟研究

由于上述结果是基于随机试验图纸，以保持8种条件下的信噪比恒定（见方法），因此观察到的ssVEF振幅调制作为调节强度的函数可能是特定于所选试验的。因此，随机试验选择重复100次，以确定第一次和随后2次CS呈现的源空间中显著线性对比（成功）的数量。图3描述了CS超过60的2个时间窗口的成功次数（二项式精确测试H₀:P（P）= 0.5; 100次成功中的60次：P（P）< 0.05).

在最初的2 s内，在枕叶观察到一组大于偶然的结果复制（最大复制次数：87，P（P）<0.0001），尽管与原始结果相比，空间扩展较小(图2和三). 在随后的2 s内，左侧观察到大于概率的复制（最大复制次数：84，P（P）<0.0001）和右侧SMA（最大复制次数：78，P（P）< 0.0001).

讨论

在这项研究中，在恐惧条件下跟踪视觉皮层的磁皮层活动，以一种允许联想强度和US预期参数变化且彼此相反的方式操纵CS-US突发事件(佩鲁切特1985；Clark等人，2001年). 研究的问题是，视觉区域的磁皮层活动是随着厌恶型美国人的期望值增加，还是作为联想强度的函数增加。目前的结果表明，在视觉CS呈现的前2 s，枕皮质的激活随着CS–US配对数量的增加而增加，并且与US预期呈负相关。这支持了这样一种观点，即CS处理的早期视觉促进并不依赖于陈述性认知过程，如美国期望(Morris等人，1999年；Knight等人，2004年；Knight等人，2003年；Moratti等人，2006年). 此外，两半球SMA的ssVEF振幅也仅随联想强度增加而增加。据报道，这些领域与恐惧学习有关（例如。，Knight等人，2004年)并可能很好地调节运动准备。然而，仅在CS呈现的前半段，而在US呈现前的第二个时间窗，观察到视皮层中ssVEF活性随着联想强度的增加而增加。这种效应的缺乏可能是由于CS闪烁出现期间可能出现的习惯化效应。此外，光栅方向易于快速识别，因此，对动机相关刺激的长期持续关注分析不如对复杂视觉刺激的适应性强（例如，Moratti等人，2004年），或者可能反映出光栅容易识别的事实。

我们的发现与2项行为研究一致(佩鲁切特1985；Clark等人，2001年)使用赌徒谬误范式来研究期望和条件作用强度。这些研究依赖于条件眨眼范式，而不是当前报告中使用的恐惧条件反射。然而，在恐惧条件反射期间，枕叶皮层和SMA的眨眼概率和ssVEF振幅调制都是关联强度的函数，而不是美国期望值的函数。这表明了不同实验设计中共同的潜在学习机制，以类似的方式影响多个因变量（行为和神经）。

应该提到的是，本研究使用了原始文章中描述的延迟调节程序佩鲁切特（1985）.Clark等人（2001）重复了基于经验的延迟调节CR增强的发现。他们还发现，在跟踪条件反射的情况下，眨眼的概率随着美国人的预期而不是经验而增加，进一步证明跟踪和延迟条件反射代表不同的学习过程。因此，磁皮层活动随联想强度的增加可能是延迟条件反射所特有的。未来的研究应该解决这样一个问题，即跟踪调节是否会导致枕叶和额叶结构的活动随着美国人预期的增加而增加。

作为另一种总体解释，MNE振幅曲线的实验效应（参见图2)也可以解释为振幅减小而不是增加。重复视觉刺激会持续降低视觉皮层的神经活动，这与刺激的神经表征的“锐化”过程有关(格鲁伯和米勒2002；Gruber等人，2004年). 然而，作为一个重要的区别，这一过程只在熟悉的刺激中观察到，如有意义的物体（花、鸟等），而重复不熟悉的刺激，如无意义的图案（如本研究中使用的灰色光栅），则会导致这种视知觉下的神经活动增加(Conrad等人，2007年). 这种增强被解释为一种新的神经网络的形成，而这种减少与概念网络中的“锐化”过程有关(Conrad等人，2007年). 由于1）在本研究中使用了一种不熟悉的刺激，2）CS在不同试验类型（CS-单独，CS-美国）中的重复次数相等，因此观察到的MNE曲线不太可能是重复效应的产物。鉴于大量、广泛和一致的文献报道，恐惧条件反射期间初级感觉皮层的神经活动增加(Buchel等人，1998年；LaBar等人，1998年；Fischer等人，2002年；Cheng等人，2003年；Knight等人，2004年；莫拉蒂和凯尔2005；Moratti等人，2006年)，更可能的是，视觉皮层和SMA中ssVEF的增加代表了确保有效检测和处理威胁线索的神经局部网络的短期可塑性变化(Keil等人，2007年).

然而，目前的实验设计不能排除声音US（大白噪声）期望值的增加将注意力转向听觉而远离视觉处理，这反映在高期望值期间视觉皮层的振幅降低。由于ssVEF活动是由视觉闪烁驱动的，因此目前对神经活动的测量无法解决这个问题。然而，这并不能解释在美国低预期期间SMA活动增加的原因。未来的研究应该解决这个问题。

鉴于MEG对深源的空间局限性，我们无法观察到杏仁核的活动调节，杏仁核是恐惧条件反射的核心结构(乐都2000). 此外，因为ssVEF代表视觉皮层和额叶皮层等高阶结构中的再入活动混响(Silberstein等人，1990年；Perlstein等人，2003年)，虽然杏仁核可能对视觉皮层有调节作用，但我们并没有期望在杏仁核中观察到ssVEF振荡(阿马拉1986). 此外，MNE方法更适合于浅源，而不能捕获深源。然而，由于该研究的最初目标是描述再入皮层ssVEF在空间和时间上的振荡，因此MNE方法被认为适合于此目的。

总之，本研究表明，在感觉加工和运动准备领域，视觉CS引发的神经活动随着联想经验的增加而增加。有趣的是，枕叶皮层和SMA激活的增加与主观的US期望值无关，ssVEF振幅增加和US期望值评级的分离证明了这一点：当受试者几乎确定（期望值评级78%）他们会收到US时，他们的视觉皮层和SMA激活度较低。然而，CS-US配对的频率越高，右枕叶和两侧半球SMA的ssVEF振幅越大。与此同时，美国人的预期寿命下降了。显然，即使受试者有意识地没有预料到美国，大脑也能在CS与美国交往后促进感觉处理和运动准备。这支持了这样一种观点，即恐惧学习后视觉和SMA皮层中增强的神经活动是一个相当隐含的联想经验过程，并不取决于美国人的预期。

资金

Deutsche Forschungsgemeinschaft（DFG，MO 1043/2-1）；以及马德里自治区社区生物科学研究计划（Programa del Grupo de Biociencia de la Comunidad Autónoma de Madrid MADR）。IB（M06094501）。

我们感谢Leonie Koban在数据采集方面的帮助。利益冲突：未声明。

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