脑电中theta波及beta波如何参与视觉信息控制运动

1.研究背景

利用视觉信息控制运动是一种重要的功能，先行研究指出，该功能由alpha波和beta波的皮层震荡活动支持。本研究旨在探索与高级认知功能有关的额中部theta波及枕叶gamma波振荡如何参与这一功能。

2.研究方法

2.1 被试

研究共有17名有效被试，平均年龄为23.5±2.2岁，年龄范围20-30岁。

2.2 实验设计

在正式实验开始前，先通过握力装置测得最大自发握力值（maximal voluntary force，MVF）。在正式实验中，在距离被试0.6m的屏幕上呈现三个色条。其中两个色条位于屏幕的固定位置，间隔距离为色条的宽度，为目标色条；另外一个色条随着被试的握力值变化可以实时移动，为握力色条。目标色条的颜色在绿色与红色之间变化，每种颜色各呈现4s；握力色条为蓝色。被试的任务为，在目标色条开始呈现绿色时即施加握力，使得蓝色握力色条可以正好移动到并保持在两个目标色条之间，在目标色条变红时停止施加握力。握力色条可以移动到目标色条之间所需的握力值为15%MVF。

基于被试眼睛到屏幕的距离以及握力色条浮动的高度范围计算视觉角度，从而设置三种视觉增益条件（图1）：0.05° (低)、0.5° (中)、3.0° (高)。实验共有5个block，每个block中包含21个试次，每种视觉增益条件的试次各7个。

图1. 实验任务示意图及三种视觉增益条件

2.3 数据采集和处理

实验采用64导湿电极脑电帽（eegoTM Sports），实时数据采集采样率为1kHz，CPz为参考，AFz为接地，每个电极的阻抗在5 k Ω以下。数据离线处理采用带通滤波1-100Hz，以全脑平均为重参考电极，以250Hz的采样率对数据进行重新采样。以8秒时间窗进行分段，取被试开始运动前的2s和运动开始后的6s。采用小波变换对3-100Hz的脑电信号计算事件相关谱扰动(ERSP)。随后，使用k-means聚类算法得到5个被认为有事件相关激活的皮层脑区：

图2. 5个任务相关激活皮层脑区

3.研究结果

3.1 事件相关谱相干

研究结果显示，额中部theta波的同步化程度在高视觉增益条件下更高（p < .05）。感觉运动区及后颞叶区beta波的去同步化程度在高视觉增益条件下更高（p < .01）。

图3. 不同脑区的平均事件相关谱扰动图

3.2 中介分析

Beta频段的能量值与平均握力误差（Mean Force Error，MFE）呈正相关，且theta频段的能量在其中起中介作用。具体来说，当theta频段能量较低时，beta频段能量越高，MFE越高；当theta频段能量较高时，beta频段能量与MFE无显著相关。

 图4. 受到theta波能量中介作用影响的beta波能量与握力误差之间的关系

4.结论

放大视觉反馈通过减少视觉眼肌运动任务中的运动误差来提高运动表现。本研究探讨了如何通过控制视觉反馈改变视觉眼肌系统的神经振荡活动。结果表明，当视觉增益较大时，额中部theta波的同步化程度及感觉运动区、后颞叶区beta波的同步化程度也更高。另外，当实际运动误差更小时，额中部theta波的同步化程度更高。Theta波振荡活动被发现在beta波振荡和握力误差的正相关关系中起到中介作用。本研究的意义在于揭示了额中部theta波振荡活动在高精度视觉眼肌协调中的重要性。

5、文献名称及DOI号

Watanabe, T., Mima, T., Shibata, S., & Kirimoto, H. (2021). Midfrontal theta as moderator between beta oscillations and precision control. NeuroImage, 235, 118022.

doi：10.1016/j.neuroimage.2021.118022