检索历史 清除

摘要随着计算机技术的不断发展，基于互联网的在线实验方式在脑科学领域变得越来越流行。现已有一些函库如jsPsych、lab.js等被开发并应用于实验设计中。其中，jsPsych采用基于时间轴的实验设计方法并提供功能丰富的插件，时序精度经其公开可达4ms。本课题组在之前的研究中发现rAF（requestAnimationFrame）技术可以在浏览器端呈现亚毫秒的时序精度，目前也逐步开始有实验函数库采取类似的方法来进行库的设计，但是在国内尚缺乏可供使用的高质量的脑科学实验函数库。同时，脑研究过程中往往采用刺激－响应的实验范式，通过呈现感官刺激（如视觉刺激、听觉刺激等）来诱发大脑电位变化，或者让被试对刺激做出响应，并通过响应采集设备来采集被试的电生理信号或者被试响应相关数据以此探索相关脑区的功能和机制。但是由于显示器输入滞后、实验仪器和计算机之间存在的同步问题会影响此类实验的采集精度。如在计算机呈现视觉刺激时，响应采集设备往往连接在计算机主机上并接受计算机发出的触发信号，但是由于视觉刺激真实出现在显示器上并可以被被试观测到的时间是受接口类型、计算机类型等因素的影响的，和响应采集设备接收到触发信号的时间并不是同步的。同时在线实验的流行也引入了新的问题，由于在线实验运行在浏览器环境中，但是由于浏览器对计算机串口通信的限制，传统的响应采集设备并不能直接应用于在线实验平台。<br>　　目的：开发一套高精度脑科学实验系统，包含高时序精度的在线实验函数库、基于视听刺激的同步仪两个部分，分别从刺激呈现时序精度、实验数据采集精度两个方面来提高脑科学实验的准确性，并摆脱传统的采集设备对串口的依赖，使传统的硬件设备可以被应用于在线实验。1.基于rAF技术研发一套脑科学实验函数库，允许实验人员使用更简单的方式设计高性能脑科学实验。2.研发一套基于视听刺激的同步仪，可以同步被试可感知的实际刺激给到响应采集设备，降低输入滞后带来的测量误差，保证各个设备之间的时间同步，同时取代将响应采集设备直接接到计算机串口的传统方法，使得传统的采集设备可以应用于在线实验。<br>　　方法：1.使用JavaScript的超集TypeScript语言、Canvas绘图技术以及Rollup打包器，配合如SweetAlert2等优秀的外部插件开发了一套可以被应用于在线实验的脑科学实验函数库。通过对交互组件、静态图形、动画函数、高精度定时器、数据导出等方法的封装，降低脑科学实验的程序编写难度。同时通过优化文件体积、支持ESM，IIFE两种方式的导出更方便用户在不同的开发模式下使用。2.利用光敏三极管以及驻极体话筒来分别同步视觉刺激信号和听觉刺激信号并转换为TTL、RS232电平输出，并把信号同步给响应采集设备，以此来减小输入滞后导致的时间误差，同时由于不同环境下光信号、声音信号强度不同，所以同步仪的采集阈值也随之改变，因此系统提供一种自动确认阈值的算法方便同步仪在不同的环境下自动确认阈值。<br>　　结果：1.使用函数库设计了周期为16帧的黑白块的闪烁刺激，使用光敏三极管和逻辑分析仪测量并分析了时序精度，测量数量为11200组。经t检验表明95%的置信区间周期为266.8ms到266.9ms，丢帧率为0.02%。2.使用脑科学实验函数库设计了Stroop实验，包含实验设计、在线实验、实验数据收集与导出完整流程。3.测量了显示器实际出现刺激信号和主机产生串口信号的时间差即输入滞后时间为4.1ms，测量了同步仪TTL信号上升沿、下降沿以及RS232电平与显示器实际出现刺激信号的时间差均值均为0.2ms。4.将同步仪应用于实际的脑电测量，脑电采集设备直接连接同步仪而非计算机串口。经预处理、基线矫正后时频分析发现实验组和对照组均在0.2s附近出现ERS（Event-RelatedSynchronization）现象，其中实验组在164ms处出现ERS现象，对照组在198ms处出现ERS现象。5.在不同环境下测量了自动双阈值，在不同的环境下阈值波动极小，在不同环境中高阈值和低阈值的95%置信区间的极差均小于0.01v。<br>　　结论：本研究开发了一套高精度脑科学实验系统，包含高时序精度的在线实验函数库和同步仪两个部分，以提高脑科学实验的准确性。在线实验函数库基于rAF技术通过对交互组件、静态图形、动画函数、高精度定时器、数据导出等方法的封装，可供实验人员使用更简单的方式设计高性能脑科学实验。同时，研发了一套基于视听刺激的同步仪，可同步被试可感知的实际刺激给到响应采集设备，降低输入滞后带来的测量误差，并取代将响应采集设备直接接到计算机串口的传统方法，使传统的采集设备可以应用于在线实验。本研究从软件和硬件两个部分来提高脑科学实验的精度，具有很大的应用及推广价值。