自發(fā)運(yùn)動(dòng)是自我意識(shí)的一個(gè)基本要素。準(zhǔn)備電位（readiness potential--RP，自發(fā)動(dòng)作前的一種緩慢神經(jīng)活動(dòng)）反映準(zhǔn)備自發(fā)運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)過程；但至今對(duì)RP的解釋仍有爭(zhēng)議。先前研究表明內(nèi)部身體信號(hào)影響感覺加工和持續(xù)神經(jīng)活動(dòng)，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Hyeong-Dong Park和Olaf Blanke等人在Nature Communications雜志發(fā)表文章，研究?jī)?nèi)感受器身體信號(hào)在自發(fā)運(yùn)動(dòng)和RP中的潛在作用。實(shí)驗(yàn)要求被試執(zhí)行兩個(gè)經(jīng)典的自發(fā)運(yùn)動(dòng)任務(wù)（Kornhuber任務(wù)和Libet任務(wù)）以及一個(gè)外部觸發(fā)動(dòng)作任務(wù)，同時(shí)記錄被試的EEG和ECG信號(hào)以及呼吸數(shù)據(jù)。研究集中分析自發(fā)運(yùn)動(dòng)與心跳相位（心縮相位vs.心舒相位）、呼吸相位（吸氣相位vs.呼氣相位）的耦合。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）被試在呼氣過程中更頻繁地進(jìn)行自發(fā)運(yùn)動(dòng)。       

2）在外部觸發(fā)動(dòng)作過程中不存在這種呼吸-動(dòng)作耦合。

3）RP波幅受到呼吸的調(diào)節(jié)。研究說明呼吸波動(dòng)（而非心跳波動(dòng)）與自發(fā)運(yùn)動(dòng)、自發(fā)運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)指標(biāo)（RP）耦合，并且在外部觸發(fā)動(dòng)作過程中不存在這種呼吸-動(dòng)作耦合。研究者的發(fā)現(xiàn)說明自發(fā)運(yùn)動(dòng)與呼吸系統(tǒng)耦合，進(jìn)一步表明RP（準(zhǔn)備電位）與持續(xù)神經(jīng)活動(dòng)波動(dòng)（由非自主和循環(huán)運(yùn)動(dòng)呼吸驅(qū)動(dòng)）有關(guān)。 

方法：

被試：實(shí)驗(yàn)1有20名被試；實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3有34名被試。

程序：實(shí)驗(yàn)1（Kornhuber任務(wù)）：要求被試每8-12s用右手食指主動(dòng)按鍵。要求被試不要數(shù)數(shù)字評(píng)估時(shí)間，避免使用規(guī)則或有節(jié)奏按鍵，最大限度發(fā)揮任務(wù)的自發(fā)性。實(shí)驗(yàn)1結(jié)束后，采集被試閉眼靜息態(tài)數(shù)據(jù)3min。

實(shí)驗(yàn)2（Libet任務(wù)）：一個(gè)紅點(diǎn)以每周期2560ms的速度在鐘面旋轉(zhuǎn)。要求被試至少等待一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)后，用右手食指按鍵。要求被試避免預(yù)先假設(shè)點(diǎn)的位置，避免使用相同的試次間間隔。被試按鍵結(jié)束后，點(diǎn)自動(dòng)消失。4s后，紅點(diǎn)再次出現(xiàn)在相同的位置，要求被試判斷自己首次感覺到按鍵意識(shí)的鐘表位置（W-time）。

實(shí)驗(yàn)3（外部觸發(fā)任務(wù)）：要求被試在覺察到綠點(diǎn)后按鍵，該綠點(diǎn)在紅點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)（出現(xiàn)時(shí)間為200ms）。按鍵后紅點(diǎn)消失。根據(jù)被試在Libet實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)設(shè)定綠點(diǎn)出現(xiàn)的間隔。為了收集實(shí)驗(yàn)3中綠點(diǎn)出現(xiàn)的個(gè)體間隔數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)開始是Libet任務(wù)，剩余5個(gè)block偽隨機(jī)。被試完成實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3后，采集5min EEG睜眼靜息態(tài)數(shù)據(jù)。 

呼吸記錄和分析：使用呼吸帶（采樣率為2000Hz）采集連續(xù)呼吸信號(hào)，使用FieldTrip軟件分析數(shù)據(jù)。為確定按鍵時(shí)的瞬時(shí)呼吸相位，首先進(jìn)行0.2-0.8Hz的帶通濾波，并且進(jìn)行Hilbert變換（Fig. S1）。通過將呼吸信號(hào)與在基于個(gè)體定義的模板關(guān)聯(lián)來檢測(cè)吸氣峰值。對(duì)于MI（Modulation index 調(diào)制指數(shù)）分析，連續(xù)呼吸數(shù)據(jù)降采樣到512Hz。

Fig. S1 呼吸相位計(jì)算。呼吸信號(hào)進(jìn)行0.2-0.8Hz的帶通濾波。然后使用Hilbert轉(zhuǎn)換獲得呼吸相位。

EEG采集和分析：使用64導(dǎo)主動(dòng)電極EEG系統(tǒng)收集EEG信號(hào)（ActiveTwo system, Biosemi），

采樣率為2048Hz，并進(jìn)行400Hz的在線低通濾波。
1）EEG數(shù)據(jù)降采樣為512Hz，并進(jìn)行0.1-40Hz的帶通濾波；

2）然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全腦平均參考；

3）零點(diǎn)設(shè)置為按鍵開始時(shí)，進(jìn)行分段：-4至1s；

4）偽跡檢測(cè)：大于±3SD的時(shí)間段刪除；

5）平均試次。經(jīng)典的RPs出現(xiàn)在額中部電極點(diǎn)，因此，研究者采用Cz, FCz, Fz, AFz。

  ECG記錄和分析：記錄EEG的同時(shí)記錄ECG信號(hào)（同樣采用BIOSEMI產(chǎn)品），并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的預(yù)處理。雙極ECG電極放在右肩和腹部左側(cè)底部。為計(jì)算按鍵時(shí)的ECG信號(hào)，研究者采用基于峰值覺察算法的方法。通過將ECG信號(hào)與基于個(gè)體定義的模板QRS復(fù)合體。使用公式：φ(t) = 2π((t –ta)/(tb ? ta))計(jì)算ECG的相位，ta和tb是圍繞當(dāng)前時(shí)間樣本的兩個(gè)連續(xù)峰值的時(shí)間（Fig. S3）。

Fig. S3 心跳相位的計(jì)算。采用基于峰值覺察算法的方法計(jì)算心率相位。

呼吸-自發(fā)運(yùn)動(dòng)耦合的統(tǒng)計(jì)：使用置換檢驗(yàn)探索按鍵時(shí)間和呼吸相位之間相關(guān)的顯著性。1）使用Hodges–Ajne檢驗(yàn)評(píng)估循環(huán)數(shù)據(jù)的一致性。Hodges–Ajne檢驗(yàn)結(jié)果是得到統(tǒng)計(jì)量（M，定義為在圓圈的一半中可以觀察到的最小數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)）。當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量小于預(yù)期數(shù)時(shí)，拒絕零假設(shè)。2）將原始統(tǒng)計(jì)量M與隨機(jī)置換生成的數(shù)據(jù)M值進(jìn)行比較。置換次數(shù)為1000次。 

RP波幅和呼吸相位之間的MI（調(diào)制指數(shù)）：評(píng)估呼吸相位和RP波幅之間的耦合：

1）計(jì)算單個(gè)試次-4至0s時(shí)間窗（大約一次呼吸周期）的呼吸相位和RP波幅。

2）根據(jù)跨越0-2π區(qū)間的六個(gè)呼吸相位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。六個(gè)呼吸相位沒有六個(gè)平均RP（準(zhǔn)備電位）波幅的試次被排除。對(duì)每個(gè)呼吸相位的RP波幅進(jìn)行歸一化處理（Fig. 3）。

3）通過計(jì)算MI量化RP振幅與呼吸相位之間的耦合程度，該方法使用平均RP波幅量化了相位的波幅分布偏離均勻分布的程度。越強(qiáng)的相位-波幅耦合（越大的偏離）導(dǎo)致越高的MI值。

4）使用置換檢驗(yàn)測(cè)量MI的顯著性。首先使用原始的EEG-呼吸數(shù)據(jù)計(jì)算總平均MI。接下來，將原始總平均MI與隨機(jī)生成數(shù)據(jù)的MI值進(jìn)行比較，置換次數(shù)為1000次。

5）為計(jì)算呼吸相位與靜息態(tài)EEG波幅之間的MI值，EEG數(shù)據(jù)以吸氣峰值為零點(diǎn)，分為-2至2s的時(shí)間窗（Fig. 4a）。然后采用相同的方法分析靜息狀態(tài)EEG波幅與呼吸相位之間的耦合。 

結(jié)果：

呼吸相位與自發(fā)運(yùn)動(dòng)相耦合：

1）實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果發(fā)現(xiàn)按鍵（等待時(shí)間）之間的間隔分布顯示右傾斜形狀（Fig. 1a）。按鍵間隔平均為11.20±2.3s，這些間隔的標(biāo)準(zhǔn)差平均為3.26±1.70s，該結(jié)果表示被試成功執(zhí)行了Kornhuber任務(wù)。

2）自發(fā)運(yùn)動(dòng)的開始是否與自發(fā)的呼吸信號(hào)相關(guān)。計(jì)算按鍵開始時(shí)的呼吸相位（Fig. 1）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在開始吸氣之前的呼氣階段，尤其是呼氣的最后階段，被試更頻繁地按鍵。20名被試中有19名在呼氣階段觀察到按鍵時(shí)的平均呼吸相位，即在0到π之間（Fig. 1b）。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求被試回答他們是否意識(shí)到呼吸或心率與按鍵的關(guān)系（Q1），以及被試是否根據(jù)呼吸或心率去按鍵（Q2）。20名被試中有18名被試回答NO，這說明被試未意識(shí)到自發(fā)運(yùn)動(dòng)和呼吸之間的關(guān)系。

Fig. 1 在Kornhuber任務(wù)中，自發(fā)運(yùn)動(dòng)和呼吸相位之間的耦合。

a. 等待時(shí)間的分布（n=20）顯示出典型的右偏形狀。

b. 自發(fā)運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，呼吸相位的分布情況?？盏暮谌Υ砻總€(gè)被試在按鍵時(shí)的平均呼吸相位。被試在呼氣相位更頻繁地發(fā)起自發(fā)運(yùn)動(dòng)。直方圖顯示32名被試的所有按鍵的分布，這也集中在呼氣相位。紅點(diǎn)表示總平均呼吸相位。

c. 置換檢驗(yàn)結(jié)果直方圖。結(jié)果顯示按鍵時(shí)間與呼吸相位相耦合。藍(lán)線表示原始數(shù)據(jù)的p值。

4）實(shí)驗(yàn)2中，按鍵等待時(shí)間平均為6.67±1.52s，等待時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差平均為2.20±0.97s。W-time平均為-0.26±0.17s。實(shí)驗(yàn)2重復(fù)實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果，即被試在呼氣階段更頻繁地按鍵（Fig. 2b, c）。32名被試中有30人在呼氣階段觀察到按鍵時(shí)的平均呼吸相位（Fig. 2b）。實(shí)驗(yàn)后要求被試回答他們是否意識(shí)到呼吸或心率與按鍵的關(guān)系（Q1），以及被試是否根據(jù)呼吸或心率去按鍵（Q2）。32名被試中有31名被試回答NO。Fig. 2 在Libet任務(wù)中，自發(fā)運(yùn)動(dòng)和呼吸相位之間的耦合。

a. 等待時(shí)間的分布（n=32）顯示出典型的右偏形狀。

b. 自發(fā)運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，呼吸相位的分布情況?？盏暮谌Υ砻總€(gè)被試在按鍵時(shí)的平均呼吸相位。被試在呼氣相位更頻繁地發(fā)起自發(fā)運(yùn)動(dòng)。直方圖顯示32名被試的所有按鍵的分布，這也集中在呼氣相位。紅點(diǎn)表示總平均呼吸相位。

c. 置換檢驗(yàn)結(jié)果直方圖。結(jié)果顯示按鍵時(shí)間與呼吸相位相耦合。藍(lán)線表示原始數(shù)據(jù)的p值。

呼吸相位與非自發(fā)運(yùn)動(dòng)沒有耦合關(guān)系：

在外部觸發(fā)動(dòng)作任務(wù)中（實(shí)驗(yàn)3），從鐘表旋轉(zhuǎn)開始到按鍵之間的時(shí)間間隔平均為7.03±1.56s（Fig. S2），間隔的標(biāo)準(zhǔn)差平均為1.98±0.85s。置換檢驗(yàn)說明在外部觸發(fā)動(dòng)作任務(wù)中，被試的按鍵與呼吸相位無耦合關(guān)系（Fig. S2b, c）。這些結(jié)果說明呼吸相位和運(yùn)動(dòng)開始之間的耦合關(guān)系是特異于自發(fā)運(yùn)動(dòng)的，而沒有在外部觸發(fā)動(dòng)作任務(wù)中發(fā)現(xiàn)。

Fig. S2 實(shí)驗(yàn)3中，外部觸發(fā)按鍵開始和呼吸相位。

a. 從試次開始到外部觸發(fā)按鍵的間隔分布（n=32）。

b. 外部觸發(fā)按鍵開始時(shí)，呼吸相位的分布情況?？盏暮谌Υ砻總€(gè)被試在按鍵時(shí)的平均呼吸相位。被試在呼氣相位更頻繁地發(fā)起自發(fā)運(yùn)動(dòng)。直方圖顯示32名被試的所有按鍵的分布，均勻分布。紅點(diǎn)表示總平均呼吸相位。

c. 置換檢驗(yàn)結(jié)果直方圖。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)3中的按鍵時(shí)間與呼吸相位沒有耦合關(guān)系。藍(lán)線表示原始數(shù)據(jù)的p值。

心跳相位與自發(fā)運(yùn)動(dòng)沒有聯(lián)系：

檢驗(yàn)心跳信號(hào)的相位是否與自發(fā)運(yùn)動(dòng)有聯(lián)系。采用基于峰值覺察算法的方法計(jì)算ECG信號(hào)相位（Fig. S3）。在實(shí)驗(yàn)1中，按鍵時(shí)的心跳相位分布是不均勻的（Fig. S4）。在實(shí)驗(yàn)2和3中，心跳相位和按鍵之間的相關(guān)不顯著（Fig. S5a, S5b）。這個(gè)結(jié)果說明被試按鍵與心跳相位沒有關(guān)系。總的來說，研究者的行為結(jié)果顯示在兩種經(jīng)典的自發(fā)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，自主呼吸相位，而不是心跳相位，與自發(fā)運(yùn)動(dòng)開始有耦合關(guān)系。并且在外部觸發(fā)運(yùn)動(dòng)中缺乏這種呼吸-運(yùn)動(dòng)耦合。問卷數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，被試沒有意識(shí)到呼吸與其自發(fā)運(yùn)動(dòng)之間的這種耦合關(guān)系。

Fig. S4 實(shí)驗(yàn)1中，自發(fā)運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率相位分布。空的黑圈代表每個(gè)被試在按鍵時(shí)的平均心跳相位。未出現(xiàn)偏好相位。直方圖顯示20名被試的所有按鍵的分布，均勻分布。

Fig. S5 實(shí)驗(yàn)2和3中，按鍵時(shí)的心率相位分布。空的黑圈代表每個(gè)被試在按鍵時(shí)的平均心跳相位。未出現(xiàn)偏好相位。直方圖顯示31名被試的所有按鍵的分布，均勻分布。

呼吸相位和RP波幅之間的耦合：

檢驗(yàn)呼吸信號(hào)是否影響RP（準(zhǔn)備電位）。由于1）實(shí)驗(yàn)1和2中的范式在RP研究中經(jīng)常使用；2）在兩種任務(wù)中，研究者觀察到相似的呼吸-運(yùn)動(dòng)耦合；3）增加統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)力，因此研究者結(jié)合實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的EEG-呼吸數(shù)據(jù)。首先，通過平均自發(fā)運(yùn)動(dòng)之前的EEG信號(hào)來識(shí)別典型的RPs成分（Fig. 3a），自發(fā)運(yùn)動(dòng)開始前大約2s在中部和額中部出現(xiàn)RPs。接下來檢驗(yàn)RP波幅是否與呼吸信號(hào)的相位有聯(lián)系。簡(jiǎn)單來說，根據(jù)呼吸階段六個(gè)bins，計(jì)算單個(gè)試次的平均RP波幅。為確定呼吸相位和RP波幅之間耦合的統(tǒng)計(jì)顯著性，計(jì)算每個(gè)被試的調(diào)制指數(shù)（MI）。結(jié)果說明，相比于吸氣階段，被試在呼氣階段的RP波幅更小（Fig. 3b）。置換檢驗(yàn)結(jié)果說明原始分?jǐn)?shù)的MI值顯著大于隨機(jī)信號(hào)的MI值，這證明了呼吸和RP之間的這種顯著的相位-波幅耦合（Fig. 3c）。

Fig. 3 呼吸相位與準(zhǔn)備電位（RP）波幅之間的耦合。

a. RP EEG波幅（額中部電極點(diǎn)）。-4至-2s以及-2至0s的地形圖。

b. RP波幅作為呼吸相位的六個(gè)相同大小bins的函數(shù)。

c. MI值檢驗(yàn)結(jié)果直方圖。藍(lán)線表示原始數(shù)據(jù)的MI值的p值。結(jié)果說明原始數(shù)據(jù)MI值顯著大于隨機(jī)數(shù)據(jù)生成的MI值。

靜息態(tài)EEG不受呼吸相位的調(diào)節(jié)：

為排除RP波幅與呼吸相位之間的這種耦合關(guān)系可能僅僅反映了呼吸對(duì)EEG信號(hào)的噪音影響，研究者檢驗(yàn)呼吸相位是否與靜息態(tài)EEG波幅的調(diào)節(jié)有關(guān)：1）計(jì)算鎖時(shí)到吸氣峰值的靜息態(tài)EEG波幅（與RP波幅相同的電極點(diǎn)）。2）計(jì)算靜息態(tài)EEG波幅和呼吸相位之間的MI值（Fig. 4a, b）。置換檢驗(yàn)結(jié)果顯示原始信號(hào)的MI值與隨機(jī)信號(hào)的MI值無顯著差異（Fig. 4c）。這個(gè)結(jié)果說明鎖時(shí)到吸氣峰值的靜息態(tài)EEG波幅不依賴于呼吸相位，呼吸信號(hào)和RP波幅之間的耦合關(guān)系與呼吸信號(hào)對(duì)靜息態(tài)EEG活動(dòng)的噪音影響無關(guān)。

Fig. 4 呼吸相位和靜息態(tài)EEG波幅。

a. 鎖時(shí)到吸氣峰值的靜息態(tài)EEG波幅（額中部電極點(diǎn)，n=50）。

b. 靜息態(tài)EEG波幅作為呼吸相位的六個(gè)相同大小bins的函數(shù)。

c. MI值檢驗(yàn)結(jié)果直方圖。藍(lán)線表示原始數(shù)據(jù)的MI值的p值。結(jié)果說明鎖時(shí)到吸氣峰值處的EEG波幅不依賴于呼吸相位。

總結(jié)：

該研究的主要發(fā)現(xiàn)：

1）被試的呼吸模式與自發(fā)運(yùn)動(dòng)有耦合關(guān)系。該結(jié)果在兩種常用的自發(fā)運(yùn)動(dòng)范式以及兩個(gè)不同的被試群體中均可觀察到：Kornhuber任務(wù)（Experiment 1）和Libet任務(wù)（Experiment

2）。這說明呼吸相位與間隔估計(jì)無關(guān)。2）呼吸相位與非自發(fā)運(yùn)動(dòng)無耦合關(guān)系（實(shí)驗(yàn)3，外部觸發(fā)動(dòng)作）。

總體來說，3個(gè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)證明呼吸相位（內(nèi)感受器加工）與自發(fā)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而非間隔估計(jì)或外部觸發(fā)運(yùn)動(dòng)。總的來說，自主呼吸影響人類自我意識(shí)和運(yùn)動(dòng)認(rèn)知的一個(gè)基本方面（自發(fā)運(yùn)動(dòng)）以及最經(jīng)典的EEG成分之一，RP（準(zhǔn)備電位）。該研究發(fā)現(xiàn)通過結(jié)合神經(jīng)科學(xué)的兩個(gè)不同領(lǐng)域，為RP提供了新的見解：1）RP與持續(xù)的神經(jīng)元活動(dòng)波動(dòng)有關(guān)；2）內(nèi)感受器加工，特別是與呼吸有關(guān)的加工，是這種持續(xù)神經(jīng)元波動(dòng)的重要來源。彌合這兩個(gè)獨(dú)立領(lǐng)域之間的差距，研究者表明自發(fā)運(yùn)動(dòng)中的RP與呼吸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的持續(xù)神經(jīng)元活動(dòng)的波動(dòng)有關(guān)。最后研究者的結(jié)果也有可能有助于解決Benjamin Libet提出的RP與相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)（主觀感覺或運(yùn)動(dòng)意圖）之間的困惑問題。研究者建議RP不對(duì)應(yīng)于“自發(fā)運(yùn)動(dòng)的無意識(shí)大腦啟動(dòng)”，而至少部分反映了呼吸相關(guān)的皮層加工，這與自發(fā)運(yùn)動(dòng)是耦合關(guān)系。
原文：Breathing is coupled with voluntary action and the cortical readiness potential

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