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【技术文章】RGB 刺激的大脑活动特征:脑电图研究

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原文:《Brain activity characteristics of RGB stimulus: an EEG study》[1]

作者:Khadir Alireza;Maghareh Mohammad;Sasani Ghamsari Shamim;Beigzadeh Borhan


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简介:由于在RGB空间中结合EEG信号各个方面的研究不足,在本研究中,重点关注RGB刺激并使用数据驱动的方法,研究了颜色感知的显着差异。研究结果表明,与红色和蓝色刺激相比,绿色的β振荡发生在早期感觉期,并在枕叶区域发生潜伏期变化;在枕骨区域,与其他颜色相比,蓝色的θ功率显着降低。此外,在前额叶区域,观察到响应绿色刺激的相位一致性增加,而蓝色则减少。研究结果可以用来解释RGB颜色空间中颜色感知的大脑活动机制,选择合适的颜色将更有效地执行认知活动。


关键词:RGB stimulus,electroencephalography (EEG),event-related potential,spectral power,delta、theta and beta frequency bands

编译:复旦大学林燕丹课题组 赵伟

指导:林燕丹







应用场景


颜色感知是人类心理体验的基本认知特征,在人类行为的许多方面发挥着重要作用。本研究结果可以用来解释RGB颜色空间中颜色感知的大脑活动机制,选择合适的颜色可以更有效地执行认知活动;揭示了对不同频率和时间带上对不同颜色刺激响应的神经机制的新见解。这些发现从感知和认知的角度提供了有价值的见解,揭示了颜色和神经过程之间复杂的相互作用。β波段振荡、枕顶叶区域的θ波段功率以及δ和θ波段内的前额叶相位一致性可能为跟踪 RGB 颜色信息和理解与颜色感知相关的神经过程提供有价值的指标。


研究目标


虽然人们普遍认为脑电图(EEG)是一种评估神经生理和认知功能的非侵入性且相对廉价的方法[2],但探索从EEG信号中提取有关颜色感知信息的潜力的研究数量有限。考虑到揭示感知颜色信息的重要性,以及对RGB空间的较少研究,本研究重点关注EEG数据的RGB颜色感知的时间依赖机制,利用EEG数据来单独研究RGB颜色对人脑的颜色感知的显著差异。


研究方法


1. 脑电图(EEG)

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图1. 视觉刺激范例和电极位置


(A)视觉刺激范例:由随机选择的颜色刺激组成,注视点0.5秒后开始,之后向参与者呈现彩色(RGB)屏幕10秒,然后是灰色背景的3秒延迟期。(B) EEG信号采集电极位置:枕区包括O1、Oz和O2电极,用紫色标记;枕顶区包括O1、Oz、O2(均用紫色标记)和PO3、PO4、POz、PO7、PO8(用蓝色标记);前额区(AF7、AF3、AF4、AF8、Fp1、Fpz、Fp2)用橙色标记。


2. 事件相关电位(ERP)、事件相关振荡(ERO)和时频分析


使用δ(1−4 Hz)、θ(4−8 Hz)、α(8−12 Hz)、β(12−30 Hz)、低(30−50 Hz)和高(70−150 Hz)作为采样频率下限和上限。6 Hz以下试验的平均值进行ERP分析,每个滤波频带试验的平均值其活动的ERO分析,试验间相位聚类(ITPC)用于检查皮层相位同步程度或测量试验期间的相位相干型。


3. 数据驱动方法


使用探索性的数据驱动方法来找到RGB颜色信息的显著差异。每个通道的ERO、功率和相位相干性(ITPC)值用希尔伯特变换方法提取,以比较6个频率带(δ、θ、α、β、低、高)中的不同RGB刺激。对来自给定颜色的59个电极的所得数据进行平均,产生特定的感兴趣区域。

探索性分析结果显示,枕叶区θ带的功率具有显著且可靠的影响,在ITPC分析的前额区的δ和θ波段的范围内观察到两个强大和有效的影响。


主要结论


1. RGB颜色刺激的ERO的差异


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图2. 枕叶区(O1、Oz和O2)电极β波段(12-30 Hz)的事件相关振荡


数据表明只有β波段振荡显示出有意义的差异。进一步分析β-ERO显示,刺激开始后大约100 ms时,绿色刺激显示出相对于蓝色和红色刺激的潜伏期偏移。水平黑线表示在88-98 ms中RGB的ERO之间存在显著差异的聚类。


2. 枕叶区域对颜色感知的显著功率差异


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图3. 枕叶区域(O1、Oz和O2)θ波段频率的RGB功率信息


(A)黑色实线轮廓的突出显示区域表示重要的聚类。红色刺激在刺激开始后立即出现显著的功率增加,绿色刺激在后期出现显著的增加。θ 波段中蓝色刺激的功率在很长一段时间(0.4-1.4 秒)内受到抑制;(B)左图显示蓝色的功率值相对于基线活动显著降低,该基线活动持续相当长的时间,并且这在红色或绿色颜色中不可见。通过统计分析,在540-680 ms时间窗口中,颜色之间存在显著差异;右图显示了左图中的显著时段(540-680 ms)内内每种颜色的平均功率值,统计分析表明蓝色和绿色之间存在显著差异。(C)左图仅显示了图B中具有最显著的差异的蓝色和绿色刺激的功率值,在540-840 ms的时间内有显著差异。右图显示在刺激开始后540-840 ms内,枕顶电极(O2-O1-Oz-POz-PO8-PO3-PO7-PO4-P7-P6-P5-P2)为显著位点。


3. 前额区RGB颜色感知的相位一致性差异


(A)在刺激呈现后,对于蓝色在12 Hz以下和对于绿色在8 Hz以下立即表现出显著增加。图中方框1区域表明在刺激开始后约600-1000 ms,在低频δ区(低于4 Hz)中,绿色刺激显示ITPC相对增加,这在红色和蓝色中是相反的。图中方框2区域表明在开始刺激后的晚期(1100-1500 ms),在θ区(4-8 Hz),绿色 ITPC 值相对有所下降,而红色和蓝色则相反。


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图4.前额叶区(AF7、AF3、AF4、AF8、Fp1、Fpz、Fp2)电极中δ和θ波段频率的RGB相位一致性信息


在δ区,(B)左图显示与红色和蓝色相反,绿色在开始后约400-800 ms具有正峰,统计分析显示在500至940 ms内颜色之间存在显著差异。右图显示蓝色和绿色、绿色与红色之间存在统计学显著差异。(C)左图表示图B中具有显著差异的蓝色和绿色的ITPC值。在440-830 ms内观察到显著差异。右图显示在刺激开始后440-830 ms内,前额叶区(F7-F5-Fp1-FT7-Fp2-Fpz-FC5-AF7-AF3-AF8-F3-F1)为显著位点。


在θ区,(D)右图显示,在刺激200 ms后,所有颜色ITPC值类似,1000 ms后,绿色表现出负ITPC值,分析显示在1230至1470 ms内颜色之间存在显著差异。右图显示蓝色与绿色、绿色与红色之间存在统计学显著差异。(E) 左图表示图D中具有显著差异的蓝色和绿色的ITPC值。在1250-1450ms的时间内存在显著差异。右图显示在刺激开始后1250-1450ms内,前额叶区(F1-Fz-F5-Fp2-AF3-F4-Fp1-F2-Fpz)为显著位点。



文献来源:

[1] Alireza K ,Mohammad M ,Shamim G S , et al.Brain activity characteristics of RGB stimulus: an EEG study[J].Scientific Reports,2023,13(1):18988-18988.

[2] Light, G. A. et al. Electroencephalography (EEG) and event-related potentials (ERPs) with human participants. Curr. Protoc.

Neurosci. 52, 6–25 (2010).


END


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