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心理科学进展 2007,15(6):872~877 Advances in Psychological Science

个体智力差异的脑电生理学基础 ——来自 EEG 和 ERP 的证据 马妍妍

李寿欣

(山东师范大学心理学院,济南 250014)

智力的脑电生理学研究近年来蓬勃发展。文章分析了 EEG、ERP 这两种主要的电生理学技术在智

力差异探究中的应用,在智力水平与大脑激活程度的负相关受到任务难度、内容以及被试性别的影响等方面 的研究所取得的进展;指出了以往个体智力差异脑电生理学研究中存在的 ERP 智力差异研究采用的任务略 显简单、难以体现智力活动的本质等问题;认为今后利用多种脑电技术结合研究个体智力差异的趋势日趋明 显。 关键词

智力差异,EEG,ERP,神经效能假说。

分类号

B848.5

1 引言

上的电位变化。它最初被应用于癫痫症的诊断和治

最早应用于智力研究的脑电技术是脑电图

疗,由于这些电位变化是由大脑内部亿万神经元活

(electroencephalogram,EEG) ,随着计算机科学的

动引起的,包含了大脑皮层神经活动的丰富信息,

进步和发展,研究人员开发出了事件相关电位

因此心理学家用EEG来研究与大脑功能活动相关的

(event related potential,ERP)技术。ERP应用于智

认知功能,比如智力。EEG是研究智力差异非常重

力差异研究始于20世纪60年代,早期的ERP研究虽

要的工具,研究者应用EEG对智力进行了多方面的

然技术上还不完善,但它的确反映出人对某些刺激

研究,并取得了丰硕的成果。一般而言,对智力差

物的反应存在着智力差异。最初,一些研究者尝试

异的EEG研究主要通过分析两类EEG指标来探索IQ

用这种技术取代IQ测验以解决文化公平的问题,由

与神经生理现象的关系,一类是功率(power)和振

于实施困难,这种取向逐渐消失。随后,研究者开

幅,另一类是神经网络的联结性,比如一致性、位

始广泛地采用EEG和ERP等脑电技术来探索智力差

相差、非线性动力学脑电复杂性测度[2]。近年来,

异的生理机制和心理机制。20世纪70年代和80年代

研究者在已有的基础上又发展了一些新的方法,比

初涌现出正电子发射扫描(PET)、功能磁共振成

如事件相关去同步化/同步化(ERD / ERS)。 EEG脑电信号根据频率的不同分成不同的频

像(fMRI)等现代脑电技术,但EEG和ERP作为非 损伤性、高时间分辨率、费用相对低的脑电技术仍

段,如δ波(<4 Hz)、θ波(4~7 Hz)、α波(8~12 Hz)、

然是智力差异研究的重要方法。总体上,智力差异

β波(13~30 Hz)和γ波(30~70 Hz)。研究者大多对

研究中采用脑电技术可以分成两种取向,一种是要

不同频段的EEG计算出功率或振幅,与IQ之间进行

求被试在一段较长时间内(如几分钟)解决复杂问

相关分析,并采用不同的脑电分析处理方法得到不

题的同时记录其大脑活动,如EEG、PET;另一种

同的脑电信息。目前对EEG脑电信号的处理主要是

取向是在一个较窄的时间窗口(如一秒以内)内观

以功率谱分析为主,它通过计算不同频段的功率,

察一些简单刺激引发的大脑活动,如ERP[1]。

把幅度随时间变化的脑波转换成脑电功率随频率变 化的谱图。其中不同频段脑电波的功率可以分成绝

2 智力差异的 EEG 研究

对功率和相对功率,绝对功率是指这一频段脑电信

EEG是指利用头皮上的电极持续记录大脑头皮

号平均幅值的平方,相对功率是指每个绝对功率的 值与整个脑电功率之和的比率。另外,对脑电信号 也可以进行频谱分析,方法是计算出不同频段的脑

收稿日期:2007-07-06 通讯作者:李寿欣,E-mail:shxli2001@sina.com 872


第 15 卷第 6 期

个体智力差异的脑电生理学基础

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电波在脑地形图中的分布位置,如α波大多分布在枕

跃起来,α波段的脑电节律幅度减少。因此,研究者

叶皮层。大多智力差异的脑电研究中均发现,α波的

假设,α波段的ERD大小能够反映出认知任务所涉及

[3~5]

绝对功率与IQ之间存在正相关

。Jausovec(2000)

到的大脑皮质神经元兴奋程度的高低。大量个体智

的研究表明高频α波(10~12 Hz)的绝对功率比低频

力差异的ERD研究[17~20]发现,智力水平高的被试在

α波(8~9 Hz)的绝对功率与IQ的正相关更显著[6];

进行不同类型认知任务时呈现更小的α波段ERD。例

Jausovec(2001)的研究进一步发现α和β波的电流密

如,Grabner等[20]选用了数字广度任务、中央执行任

度与IQ呈正相关[7],这与其 2000 年的研究结果一致。

务 ( central executive task ) 以 及 计 数 广 度 任 务

尽管传统上研究者一般使用功率和振幅这两个

(counting-span task),发现 28 名男性被试其α波段

变量进行研究,但是这种方法却不能提供任何关于

的ERD大小与IQ之间呈负相关。由于ERD的大小表

大脑不同区域相互联系的信息。众所周知,大脑不

示大脑皮层激活程度,因此智力水平高的被试在进

同区域的信息整合在个体认知过程中的作用十分重

行认知活动时,其大脑皮层的激活程度比智力水平

要,一致性分析法则可以提供两导联之间的EEG信

一般的被试低,这个研究结果支持神经效能假说。

号的同步化信息。一致性是指某一频率范围内同一

但是,也有一些研究[21]报告IQ与ERD呈正相关。对

时间下的两个不同信号之间的相关程度,这个信号

此,研究者进行了进一步研究,认为出现这种矛盾

可以是位相角度或位相位移,可以主要用来考察不

结果的原因之一可能是任务难度的不同。Neubauer

同脑区电极之间的耦合情况。研究者发现[8~10],在

等人[24]采用推理任务对 27 名男性被试的研究发现,

额叶区存在着低一致性与高智商的显著负相关,也

如果没有指导被试采用特定的策略,被试在进行较

就是说,高智商的人不同脑区的耦合较弱,这说明

难的认知任务时,没有发现IQ与ERD的相关;如果

高智商者的脑区存在较强的功能分化,这符合神经

指导被试采用一定的策略解决问题,则发现IQ与

效能假说(neural efficiency hypothesis)。这一假说

ERD呈负相关。Doppelmayr等人[23]也发现任务难度

认为智力代表大脑的工作效率,这种效率来源于对

可能影响IQ和大脑激活程度的相关,研究者给被试

与工作相关的脑区的调用以及不滥用与之无关的脑

在计算机上呈现瑞文推理测验图片,并根据被试的

区。

反应正确率区分出不同的任务难度,结果发现,智

2.1 不同认知任务下的智力差异的 EEG 研究

力水平高的被试在θ波段表现出明显更强的激活,而

智力差异的EEG研究大多采用比较复杂的认知

在α波段则发现任务难度与智力水平存在显著的交

任务,如问题解决、记忆、推理、言语以及视空间

互作用,即在简单的任务中高智商的被试激活程度

任务等。要求被试完成认知任务的同时,记录被试

低,但是随着任务难度的增加,高智商被试的激活

脑电信号并进行分析。大量采用不同认知任务的

程度也不断增加,而智力水平一般被试的大脑激活

EEG研究一致发现

[6,8,15,25]

,不同认知任务下的大脑

程度没有变化。由此,研究者认为在任务难度较低

活动与智力之间存在着负相关。这一结果表明,智

时,智力水平高的被试可能采用比智力水平一般的

力高的被试在问题解决时不如智力一般的被试大脑

被试更有效的解决策略,占用的注意资源少,因此

活跃。心理学家一直试图用神经效能假说来解释这

大脑激活程度低,这也支持了神经效率假说;而随

个问题,他们认为智力水平高的个体其神经系统的

着任务难度的增加,智力水平高的被试更能集中注

运行效率比智力水平一般的个体要高,这可能是因

意资源来完成任务,因此其大脑激活程度也不断提

为智力水平高的被试基本上不使用与特定任务无关

高。

的大脑区域,而只是集中注意力使用与之密切相关

Neubauer等人用ERD的方法对 26 名男性和 25

的区域。这个理论假说还得到了采用其他方法(如

名女性被试进行的研究还发现[16,18],智力与大脑激

[12~14,24,27]

PET、fMRI等)进行的一些研究的支持

活程度的负相关可能受到任务的内容和性别差异的

近 年 来 , 事 件 相 关 去 同 步 化 ( event-related

影响,不同性别的被试只有在他们完成出色的任务

desynchronization,ERD)在智力的脑电研究中得到

上才表现出智力与大脑激活的负相关,如女性在完

广泛使用。ERD最早由Pfurtscheller和Aranibar提出,

成语言任务,男性在完成视觉空间任务上。2006 年,

是一种测量大脑皮质激活程度的有效方法。其原理

Neubauer等人[26]运用创造性问题解决任务,对智力

是当被试进行某认知任务时,大脑某一皮层区域活

与大脑激活程度的关系再次进行的研究发现,创造


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心理科学进展

性的问题解决一般都伴随着较低程度的皮层唤醒。

平均为-0.30。例如,一项采用反应时任务的研究发

这些结果表明,智力的个体差异可能造成了不同认

现 30 名被试韦氏成人智力量表的成绩与各类型刺

知需求下大脑皮层反应的差别。

激物呈现后 300ms出现的ERP正走向波峰(P300)

2.2 休息状态下的智力差异 EEG 研究

潜伏期之间的相关为-0.36;Polich等人在一系列采

在休息状态下智力差异的EEG研究得到的结论

用听觉Oddball范式的研究中发现P300 的潜伏期与

并不一致。Lutzenberger等人(1992)提出智力水平

IQ之间的相关在-0.35 到-0.45 之间。梁福成(1993)

高的被试在休息状态下表现出更加复杂的EEG波

在研究中也发现儿童的瑞文测验成绩与P300 潜伏

形;Anokhin等人(1999)的研究则说明,这种结果

期的相关系数为-0.55,达到了非常显著水平。与IQ

无法得到重复验证;Jausovec(1997)发现高智商的

相关的另一个ERP成分就是波幅。Polich等人在听觉

被试在放松的状态下的确表现出更加活跃的大脑活

Oddball范式的研究中并未发现P300 波幅与IQ之间

动,然而这一结果却在其他的研究中没有得到验证。

的相关;Barrett和Eysenck(1994)发现被试在刺激

2005 年Jausovec等[34]考察了男性和女性各 38 名被试

后 250~500ms内的ERP平均波幅与IQ间存在负相关

在休息状态下的智力水平与EEG的关系,发现男性

(约-0.50)。梁福成(1993)使用Oddball模式测定

被试在整个大脑区域其激活程度与韦氏成人智测分

儿童的ERP,发现瑞文测验成绩与P300 的波幅呈正

数之间呈负相关,且智力水平越高的男性大脑区域

相关,但不显著;杨站强等(2002)以Oddball范式

之间的耦合程度越低;而女性被试却与之相反,仅

也发现P300 的波幅与IQ之间无显著相关。施建农等

在额叶发现两者之间呈正相关,且智力水平越高的

人的研究则发现[31],智力超常组的P3(或P600)的

女性被试大脑区域之间的耦合程度越高。因此,就

潜伏期短于常态组,而波幅高于常态组,且差异达

目前的研究成果看,个体在休息状态下的EEG与智

到显著水平。较近的一项研究是De Pascalis等人所做

力水平的关系,尚未取得一致。

[32]

,研究者对 48 名女性被试进行瑞文推理测验

总之,EEG 应该是评估大脑认知加工神经效率

将其分为高智力和低智力两组,采用听觉辨别任务

的有效方法,这是因为它不仅具有很高的时间分辨

的Oddball范式,发现高智力的被试P3b成分的潜伏

率,能同步反映出神经元细胞的激活状态,而且可

期更短,波幅更大,而P3a则两组差异不明显。另外,

以采用不同的脑电分析方法对脑电信号进行处理,

研究者通过线性回归分析进一步提出,额叶区的P3b

从不同角度深入探索个体在认知过程中的大脑活动

成分的潜伏期和波幅是测量智力高低最有效的生理

机制上的差异。

指标。

3 智力差异的 ERP 研究 智力差异的 ERP 研究常采用听觉 Oddball 范式, 即不同类型的刺激物以不同概率呈现,目标刺激物 呈现概率低,标准刺激物呈现概率高。在研究中让 不同 IQ 的被试完成相关的作业任务,同时记录脑 电。另外,实验所用的任务还有反应时、Sternberg 记忆搜索任务、工作记忆任务等。众多研究表明, 智力水平高的个体和智力水平一般的个体在 ERP 成 分的潜伏期、波幅以及波形轨迹上存在着差异。 3.1 ERP 成分与智力差异 一般情况下,Oddball范式中的目标刺激物诱发 出一个波峰值在 300ms左右的ERP成分P3,因此很 多学者通过研究P3 来探讨智力差异和神经生理机 制之间的关系。Chalke和Ertl(1965)首次探索了ERPs 和IQ之间的关系,发现某些成分的潜伏期与IQ之间 存在着负相关。随后的大量研究[28,32,35,36]证实了早期 成分P3 的潜伏期与IQ之间负相关的存在,相关系数

很多研究 [29~32] 认为智力水平高的被试P300潜 伏期短,这说明其信息加工的速度要比智力水平一 般的被试快。而信息加工速度可能是智力的一种基 本成分,它与大脑神经通路的传递速度有关,智力 水平高的被试神经传递速度相对比较快,因此信息 加工速度快,潜伏期比较短。这种观点在其他相关 的研究中也得到证实,Vernon和Mori(1992)以及 Reed和Jecsen(1992)都报告神经传导速度(NCV) 和智力间存在正相关,相关系数在0.26到0.48之间。 信息加工速度理论与神经效能假说并不矛盾,神经 效能假说认为,智力水平高的个体其神经系统的运 行效率比智力水平一般的个体要高。神经系统的运 行效率包含神经通路的传递速度,智力水平高的个 体神经系统的运行效率高,其神经通路的传递速度 也快。因此,EEG与ERP智力研究的这两种理论假 设本质上是一致的。相比之下,ERP成分的波幅与 IQ的相关结论并不一致,这可能与多数研究采用任


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个体智力差异的脑电生理学基础

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务难度过低有关。一般来说,ERP波幅代表着大脑

么。一些研究者将它与ERP脑电复杂性联系在一起,

加工深度,它受到任务难度的影响比较大,而智力

而Haier等人的研究发现轨迹长度依赖于波幅的大

的ERP研究采用的任务难度大多比较低,因此很多

小。总之,智力水平和ERP轨迹长度的相关在采用

研究难以发现波幅与IQ之间的显著相关。

string length方法时更加显著,但是与这种现象相应

除了对 P3 成分的研究之外,早期还有研究发现 高 IQ 和低 IQ 组,在完成检测任务时刺激出现后 140~200ms 内 ERP 波形(N1-P2)差异显著。与低 IQ 的被试相比,高 IQ 的被试 N1-P2 上升曲线波形 走势更陡,而低 IQ 的被试上升曲线波形走势则比较 平缓。同样,在运用 Sternberg 记忆搜索任务进行的 ERP 研究中也发现,在大约 165ms 时不同智力水平 的被试 ERP 波形走势出现差异,高 IQ 被试波形表 现出一种延迟的负走向。尽管实验采用的任务不同, 但这些研究结果一致表明,智力对信息加工过程的 影响的确发生在 ERP 早成分的某一特定时间段。 3.2

ERP 波形轨迹与智力差异 Rhodes等人(1969)运用“map-reading wheel”

方法研究ERP轨迹长度和IQ之间的关系,这种方法 后来被Hendrickson等人(1980)引入智力差异研究 并将之命名为“string length”,它是指测量某段假定 时程内的ERP轨迹的长度,并计算此长度与智力水 平之间的相关。Rhodes等对0~100ms、0~250ms以及 100~250ms这三个时程计算其轨迹长度与韦氏智力 分数之间的相关,结果仅在100~250ms内发现轨迹 长度与IQ间呈显著正相关。后来的研究也得到了类 似的结果,例如,Stough等人(1990)通过对20名 被试的研究,报告在100~200ms内ERP轨迹长度与IQ 之间的相关最显著,相关系数为0.60。Hendrickson (1982)提出了神经传递错误理论来解释这一结果, 他认为智力的差异并不是由于个体中枢神经系统传 递速度的不同造成的,而是反映了个体在问题解决 时神经传递产生错误的比率不同。高智商的个体错 误率低,因而个体的脑电轨迹在每一个trial中比较稳 定,产生出更为详尽的诱发电位,因而产生出更复 杂的ERP轨迹。但是随后却有研究[37]发现近于零的 相关,甚至负相关的现象。针对这些相矛盾的结果, 研究者尝试从不同角度来解释ERP轨迹长度与IQ的 关系。Bates(1995)提出轨迹长度与IQ间的关系依 赖于不同任务对于注意资源的需求,耗费较多注意 资源的任务会产生负相关,因为轨迹的复杂度应该 代表大脑的工作效率,而在其他的任务中,轨迹的 复杂度则表示认知能力。另外,有研究者[38]质疑这 种测量ERP轨迹长度的方法本质上究竟在研究什

的心理机制至今依然无法确定。

4 问题与展望 回顾 20 世纪心理科学的发展,多数重大的发现 都与一定的研究方法和技术进步有密切关系。EEG 和ERP具有高时间分辨率、无创伤性、费用相对低 廉的优点,因此在智力差异的脑生理学研究中得到 广泛的应用,并取得了丰硕的成果。但是,我们可 以看出关于智力差异的ERP研究还占少数,智力差 异的EEG研究依然蓬勃发展,这与其他领域的脑电 研究趋势不太一致。究其原因,或许是EEG研究中 脑电信号的处理方法比较多样化,能够从多个角度 分析研究结果。而ERP尽管近年来发展迅速,但其 实验指标比较稳定且略显单一。更重要的是,与其 他脑电生理学技术相比,ERP由于技术上的限制, 其研究一般采用的是相对比较简单的任务。而智力 活动是一项十分复杂的认知活动,智力差异的ERP 研究如果采用简单的认知任务,个体智力的生理差 异很难完全反映出来。近年来,EEG和ERP空间分 辨率比较低的缺点使得智力差异的脑定位研究受到 了局限。同时其他脑成像技术也具有其自身的缺点, 如FMRI、PET由于时间分辨率低,无法及时反映大 脑活动。为此,研究者开始倾向同时使用两种脑电 技术探索智力差异的大脑机制[39,40]。总之,这些新 兴的脑电技术促进了智力认知神经科学取向的迅速 发展,并对传统的智力研究和理论提出了挑战。人 类的智力行为,就其本质来说还是大脑的高级神经 活动。因此,智力理论的架构必然需要结合脑科学 的研究成果。为此,一些研究者开始重新审视遗传 等先天因素在智力活动中的作用,试图探究个体智 力发展以及个体间智力差异的生物基础,并尝试在 此基础上建构一种新的智力理论。尽管关于智力的 神经生物基础的研究取得了很大进展,但是由于智 力活动本身的复杂性,使得寻找其生物学基础的工 作开展起来必然具有一定的难度,也使得以往对智 力的研究存在许多问题[33]。当然,任何一种理论的 提出和技术的进步发展都是一个长期而曲折的过 程。EEG、ERP与其他脑电技术的结合将有助于克 服它们自身的局限性,逐渐成为人类智力活动脑机 制研究的发展趋势之一。尽管认知神经科学对智力


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2007 年

心理科学进展

差异的研究依然处于探索阶段,尚未提出系统的智

[13] Rypma B, Berger J S, Genova H M, Rebecchi D,Esposito M

力理论,但其意义是十分深远的,并且再一次引起

D. Dissociatine age-related changes in cognitive strategy and

了研究者对于智力差异生理机制的关注,区别于过 去关于智力先天遗传与后天教养在理论上的争论,

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认知神经科学体系中蓬勃发展的科学的脑电研究方

Jeong-Ho Chae, Seungheun Lee, Kyungjin Kim. Neural

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EEG—functional MRI study. Epilepsy Research, 2007, 75:29~38

potential study. NeuroReport, 2006, 17(7): 747~752

Electrophysiological Basis of Individual Differences of Intelligence: Evidence from EEG and ERP Data Ma Yanyan,

Li Shouxin

(School of Psychology, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract: The electrophysiological research of individual differences of intelligence has developed greatly in recent years. This article includes the application of EEG and ERP electrophysiological techniques in research of individual differences of intelligence and the new development of this field, which is the negative correlation between intelligence and brain activation can be influenced by task difficulties, the content of task and sex of subjects. Furthermore, this article discusses the problems in the previous electrophysiological research of individual differences of intelligence, such as the task in ERP research is too simple to reflect actual intelligence activities. At last, this article points the more and more obvious trend of using multi-electrophysiological techniques for the research of individual differences of intelligence. Key words: individual differences of intelligence, EEG, ERP, Neural efficiency hypothesis.

个体智力差异的脑电生理学基础——来自EEG和ERP的证据(2007)  

2 智力差异的EEG研究 1引言 收稿日期:2007-07-06 通讯作者:李寿欣,E-mail:shxli2001@sina.com EEG是指利用头皮上的电极持续记录大脑头皮 心理科学进展 2007,15(6) :872~877 Advances in Psychologic...

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