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本文介绍了两种可以用来研究认知发展和可塑性的眼动追踪测量方法：瞳孔扩张和自发眨眼率。首先概述了注视分析的丰富历史，它可以揭示当前的注意力焦点以及认知策略。然后转向两个较少使用的视觉测量。瞳孔扩张受大脑蓝斑-去甲肾上腺素系统的调节，该系统控制生理唤醒和注意力，并已被用于衡量主观任务难度、精神努力和神经增益。自发的眨眼频率与中枢神经系统中的多巴胺水平相关，并且可以揭示学习和目标导向行为的潜在加工。综上所述，注视、瞳孔扩张和眨眼率是认知的三个非侵入性且互补的测量方法，具有高时间分辨率和基本明确的神经基础。本篇综述了瞳孔扩张和眨眼率的神经基础，提供它们的用法示例，描述了分析方法和方法论的考虑因素，并讨论它们在学习、认知发展和可塑性研究中的潜力。 注视眼动的控制和功能 PNAS：眼动证据支持行为的“模式完成”理论 意志性眼动控制与ADHD的关系：一项来自双生子的研究 面孔的神经表征与眼动模式相协调 眼动研究模型：近似数估计中连续的中央凹累加 眼动研究：阿尔茨海默病及轻度认知障碍所致痴呆患者的异常眼跳 眼动研究：先验知识对年轻人和老年人主动视觉和记忆的影响 Neurology:眼动对多发性硬化患者核间性眼肌麻痹的诊断及量化研究 PNAS：视觉工作记忆对瞳孔反应的调节模式
工作记忆中多重神经活动表征可并发存储 眼动研究: 经验驱动型注意力的分离成分 心理学领域的一个重要发现是可以通过测量眼部肌肉的收缩来探测大脑的内部活动(图1)。认知心理学家已经利用这种方法超过两个世纪了，然而，在过去的二十年里眼动追踪作为研究行为背后机制的一种方式在很大程度上已经退居脑成像研究之后。现在，由于眼动追踪硬件、软件和分析方法的显著改进，以及人们越来越认识到可以从脑成像中学到的东西的局限性，眼动追踪正在恢复它以前的地位。本文总体目标有三个方面: 第一，提供视觉测量的概述，以及从成人神经生物学基础和行为相关因素的研究中学到的东西；最常用的视觉测量是注视；在主要关注任务诱发的瞳孔反应和自发的眨眼率之前只提供这种方法的简要概述。虽然，本文集中在这些指标对神经性儿童和成人认知功能的测量可用性方面，但这些方法在临床研究中也同样有用。
a)眼睛的最佳视角。上直肌和下直肌负责眼睛的垂直运动，而外直肌和内直肌控制水平运动。 b）顶部:瞳孔扩张肌扩张瞳孔，由交感神经纤维控制。底部:瞳孔括约肌收缩瞳孔，由副交感神经纤维控制。扩张器和瞳孔括约肌的激活之间的平衡决定了瞳孔直径。 人们可能会认为眼动追踪对大脑功能的测量是贫乏的，也可能是只是丰富认知能力一种不够标准的衡量。但其实，它可以补充行为和大脑测量。事实上，有人认为眼动神经研究提供了一个理想的神经科学模型来研究大脑机制和行为之间的联系。由于视觉测量的高时间分辨率，它可以提供除了正确率和反应时之外的额外信息，从而可以测量人们对任务需求的即时反应。事实上，眼动追踪采样速率从每秒25到2000次测量不等，这意味着更快的眼动追踪仪获得亚毫秒级的时间分辨率，类似于脑电图。尽管眼动追踪是对大脑功能的间接测量，但与脑电图和功能磁共振成像相比，它有几个优点，这使得它成为许多范式和研究问题的更好选择。首先：假设被试在数据收集过程中可以舒适地坐在桌子旁(或者可以自由移动，使用头戴式眼动仪)，测试可以在更自然的环境中进行，而不是在噪音大、空间有限的磁共振扫描仪环境中进行。其次，大多数眼动仪都是便携式的，这使得带它们去学校、医院和其他场所成为可能。因此，有可能接触到比愿意并能够去研究机构的被试更大、更多样化的人群。第三，现代眼动仪上的快速校准程序使得快速开始实验成为可能。这对寻求最小化测试时间的发展研究人员特别有帮助。在许多研究中，获取视觉数据的唯一目的是确保被试保持注视屏幕中心。然而，眼睛位置的测量也可以在广泛的环境中提供对思维过程的每时每刻的评估。Yarbus (1967)提供了一个简单的例子来说明这个想法，当被试观看同一幅画时，他们会问不同的问题。当被要求判断每个角色的年龄时，被试主要看描绘的脸；当被要求判断这个家庭的物质财富时，他们主要看角色的服装和一些周围的物品。大量的研究已经证实了这样一个事实：一个人的眼睛通常指向他的思想的对象。事实上，尽管可以偷偷地关注某个空间位置而不移动视线，但更常见也更有效的方式是专注于我们正在关注的东西。此外，功能磁共振成像和皮层刺激研究证实了注意力和注视之间的密切联系，表明控制眼球运动的额视野(FEF，frontal eye fields)也与隐蔽视觉注意的部署有关。已经用于研究成人认知的多种注视度量来自眼睛位置数据。注视被用来计算注视一个特定位置所花费的时间，这反过来又被认为反映了注意力的投入以及在那个位置处理刺激所需要的时间。这个指标已被用作深入了解我们所记得的东西、我们如何进行计算、我们如何阅读、我们如何解决问题以及我们如何学习。眼跳，即允许我们在注视之间移动的快速眼球运动，可以反映注意力的变化，这种变化要么是受控的(例如，自发的眼球运动或向目标的眼跳)，要么是自动的和刺激驱动的(例如，向突然刺激的反射性眼跳)。眼跳的准确性和潜伏期提供了关于认知控制能力的见解。任务相关刺激之间的眼跳次数被认为反映了比较特定刺激或整合多条信息的过程，已被用于研究推理；一些研究问题需要对扫描路径进行分析，而不是对注视和眼跳测量进行简单的量化。在这些类型的调查中，感兴趣的主题是人们如何接近问题空间，所以测量必须包含多重注视和它们之间的运动路径。图2展示了认知发展的三大类眼动研究。其中的第一项研究包括测量对刺激的反射性定向(即反射性眼跳)。第二类涉及的目标反应是自主眼动(即自主眼跳)的任务，其中需要测量眼跳来测量任务准确性和反应潜伏期。最后，第三类涉及在复杂刺激或一组、一系列刺激的分析过程中对自发的眼睛注视模式(即扫描路径)的测量，例如在阅读或推理等高阶认知能力的研究中。
图2.幼儿注意捕捉和儿童视觉空间推理发展研究中的注释分析。a)当观察说话者的脸时，4个月大的孩子在说话者的眼睛上花费了更大比例的总观察时间(PTLT)，而8到12个月大的孩子在说话者的嘴巴上花费了更大比例的PTLT时间。成年后，平衡转移回说话者的眼睛。b）在矩阵推理的发展比较中，作者将“编码”序列定义为沿着矩阵问题空间的一行或一列的三个后续注视。使用按表现划分的中位数，表现较好的5-6岁儿童表现出与7-8岁儿童(左)大致相同的编码过程。类似地，收到关于如何完成谜题的反馈的儿童比没有收到反馈的表现出更多的编码行为(右)。第一类研究对研究婴儿期的认知加工特别有用，因为控制反射性眼跳的大脑通路在出生时相对成熟，而控制自主眼动的通路在出生时不成熟，但在婴儿期的前六个月发展迅速。为了理解他们知道或记得的东西，研究人员测量了婴儿对新奇或意想不到的刺激的注视时间。这种对注意力的隐性测量类似于“注视时间”对头部转向物体的测量，但更精确。眼动分析已经被广泛用于描述婴儿的期望和认知加工。例如，在一项关于语言理解的研究中，Lewkowicz和Hansen-Tift (2012)表明，8-10个月大的婴儿看说话者的嘴比看她的眼睛更长，而更小的婴儿和更大的儿童和成人都表现出相反的偏好(图2a)。与成人引导的讲话相比，所有的婴儿在婴儿引导的讲话中都更多地看着说话者的嘴。作者的解释是，婴儿在学习发声时会将注意力集中在嘴巴上，而大一点的孩子和成年人则倾向于集中在眼睛上收集社交线索。一项单独的纵向研究显示，从关注说话者的眼睛到嘴巴的转变发生在6到9个月大的时候。这种方法也被用来探索婴儿的持续和联合注意力、物体表征、知觉完成和关系记忆。第二类研究只能在年龄较大的儿童和成人身上成功进行，他们必须完成一项明确要求他们根据任务规则进行特定眼动的任务。也许最好的例子是认知控制的一种方法，称为反向眼跳任务。在这项任务中，被试被要求注视屏幕的中心，等待刺激闪光。在眼跳试验中，他们被要求迅速将目光移向目标；在反向眼跳试验中，他们必须将眼睛移向屏幕上与镜子相对的位置。如前所述，朝向刺激是反射性的；因此，将一个人的眼睛移动到屏幕上相反的位置需要抑制控制，以及维持相关的任务规则。利用这项任务的研究表明，认知控制在童年和青春期逐渐改善，被试的越来越少的错误出在反向眼跳试验中。这项任务揭示了认知控制比大多数涉及手部动作的任务更持久的发展轨迹，这可能是因为很难打破注意力和注视之间的强联系。第二类眼动神经研究还包括对加工速度、计划、语言(如阅读障碍中的非典型模式)、心理意象和空间工作记忆等。第三类研究包括分析复杂刺激周围的眼跳序列。使用这种方法的发展文献比其他方法要少，但也有一些例子。例如，眼动分析已经被用来表征初学者和熟练读者接近文本的方式的差异。一般来说，在阅读时，很短的单词根本不会被注视，而较长的单词几乎总是被注视，人们经常会回到过去，再次注视有更多字母或更难理解的单词。与熟练的读者相比，刚开始阅读的读者或不太熟练的读者表现出更长的注视时间、更短的眼跳和更多的再注视。深入探究阅读过程中眼动模式个体差异的来源，一些研究者发现工作记忆能力是一个重要因素。因此，将眼睛注视分析与独立的认知测量相结合，可以帮助分离复杂行为背后的关键加工。研究人员也开始使用注视测量来研究对新问题进行推理的能力的发展。研究开始了解推理能力发展改善的神经基础，但这些研究对潜在的认知变化只提供了有限的见解。注视路径分析可以提供人们在解决复杂问题时使用的策略和方法的详细见解。最近一项研究调查了年龄较小和年龄较大的儿童在推理策略上的差异，以及儿童在整个会话过程中接受反馈时策略的变化(图2b)。使用视觉空间矩阵任务，他们识别出他们提出的反映必要任务操作的特定注视模式并计算这些模式在试验中出现的次数，与其他眼睛注视模式相反。他们发现，年龄较大的孩子、表现较好的孩子以及那些在任务执行过程中得到有益反馈的孩子，都比那些由于年龄、技能水平或缺乏反馈而表现不佳的孩子表现出更多的特定任务操作。从注视分析中获得的认知洞察力的广度和深度推动了眼动追踪方法在几个方向上的扩展。关于注视分析，研究认知技能发展的纵向研究相对较少。这些研究将能够阐明儿童和成人在构建新概念、构建新技能和获得各种认知领域的专业知识时的策略转变。此外，现在通过标准眼动追踪技术广泛可用的两种方法有可能增强对注视分析的洞察力：瞳孔测量法和自发眨眼率。瞳孔扩张的分析在认知过程的科学研究中已经使用了一个多世纪，但要获得这些数据需要每0.5-1秒对瞳孔拍摄的照片进行手工测量，或者使用红外瞳孔计来遮挡被试的视力。类似地，自20世纪20年代以来，眨眼率的测量已经成为认知和临床研究的信息来源，但是需要对视觉观察到的眨眼进行手动计数、使用眼电图仪(EOG)或其他定制设备。现在这两种测量方法都可以用现代眼动仪获得，并用自动数据处理软件进行分析，作者建议在发育研究中扩大它们的应用。随着眼动仪的使用越来越广泛，重要的是刚刚开始使用这种方法的研究人员要理解它的可及性和局限性。正如功能磁共振成像通过测量血氧含量间接测量大脑活动一样，研究人员有必要减轻和解释影响血流的生理和特殊因素的影响，也有许多必须考虑的对眼部反应的潜在影响。接下来将介绍这些视觉测量，它们所反映的神经机制，以及它们为认知和认知发展提供的新见解。如果您对眼动，脑电，近红外及任务态fmri等与心理认知研究密切相关的数据处理感兴趣，可浏览思影科技课程及服务（可添加微信号siyingyxf或18983979082详细了解）：第二十三届脑电数据处理中级班（重庆，12.16-21） 第十届近红外脑功能数据处理班(重庆，12.23-28） 瞳孔大小的变化是由两种对立的肌肉引起的(图1b):位于虹膜外部并扩张瞳孔的扩张器瞳孔和位于中部并收缩瞳孔的括约肌瞳孔。缩窄括约肌接收来自参与瞳孔光反射的大脑系统的输入，但是两个瞳孔肌肉也接收来自参与认知和自主功能的大脑系统的输入。因此，认知和自主活动的变化会影响瞳孔直径。瞳孔扩张不能被自动抑制，尽管扩张自己的瞳孔是可能的，例如通过做算术。神经科学家和认知心理学家利用瞳孔对认知努力的反应，通过观察瞳孔直径的波动来研究认知加工随时间的发展。大量研究已经在成人中使用这种方法至少60年了，在婴儿中使用的程度较低。尽管瞳孔测量法有很多优点，但迄今为止，它在儿童和青少年研究中的代表性不足。下面，首先提供认知和瞳孔扩张之间关系的神经系统的详细概述。这样做有两个主要原因：首先，任务诱发的瞳孔扩张和其潜在的神经机制之间的密切关系提供了一个强有力的论据，即这种方法可以用于任何年龄的参与者。第二，关于这种关系的知识允许研究者将关于神经系统的结果转化为认知研究，并根据潜在的神经生理过程解释认知研究的结果。在回顾了瞳孔反应的神经基础后，将详细介绍这种方法是如何被用于研究成人的认知过程，以及它如何被用于儿童。眼睛的瞳孔不仅因光线而收缩，还因黑暗而扩张；在儿童和成人中，它们在自主神经唤醒时也会扩张和精神活动。瞳孔对唤醒和精神活动有反应的原因是瞳孔扩张受去甲肾上腺素能蓝斑（LC）调节，如图3所示。LC是脑干中的一个小核，在生理唤醒和认知功能的调节中起着核心作用。下面，首先描述瞳孔扩张和LC活动之间紧密联系的神经结构，然后转向LC系统在唤醒和认知中的作用。
图3.在执行信号检测任务期间，猴子瞳孔直径和单个LC神经元放电之间的时间耦合。LC放电和瞳孔直径之间的关系是通过LC投射到Edinger-Westphal核(瞳孔的副交感神经收缩纤维的来源)和通过LC-NE系统对交感神经活动的影响来调节的，交感神经活动促进瞳孔扩张。LC是一簇释放去甲肾上腺素（NE）的神经元，去甲肾上腺素是一种神经调节剂，对中枢和外周神经系统活动有广泛影响。NE对于正常的大脑发育至关重要；它甚至在大脑神经元分化之前就已经在大脑中表达了。对LC皮层目标结构的投射在出生时就已经存在。在整个发育过程中，NE的基线水平持续变化，在出生前稳定增加，在出生后不久达到最大值，并且在整个童年时期基本保持稳定。瞳孔系统和LC-NE活动之间的关系已经通过大量的解剖学和生理学研究已经在成人和动物中建立起来。猴子LC发射频率和瞳孔直径之间的时间耦合强度是惊人的(图3)，而人类的fMRI研究表明LC BOLD信号和瞳孔直径之间存在相应的联系。最近的一项研究涉及同时记录恒河猴的瞳孔直径、LC的神经元放电和神经调节剂多巴胺(DA)的产生部位黑质致密部(SNC)的神经元放电。这项研究表明，LC活动与瞳孔扩张和猴子的努力有关，为LC活动与瞳孔扩张以及瞳孔扩张与认知之间的联系提供了证据。LC-NE活动导致瞳孔扩张，因为LC有直接的抑制投射到副交感Edinger-Westphal核，瞳孔收缩纤维起源于副交感Edinger-Westphal核。通过抑制Edinger-Westphal核和瞳孔收缩肌肉，LC活动因此间接扩大瞳孔。LC活动也增加交感系统的活动，包括支配瞳孔的交感纤维，导致额外的瞳孔扩张(图4)。人类的一项药理学研究表明，抑制副交感神经收缩纤维和兴奋交感神经扩张纤维都有助于认知诱发的瞳孔反应。
图4.自主神经系统及其交感(战斗或逃跑)和副交感(休息和消化)分支的解剖图。神经节后活动主要是由交感神经分支中的神经递质和副交感神经分支中的乙酰胆碱介导的。许多器官接受来自交感神经和副交感神经分支的输入，在这种情况下，功能通常是相互的，如瞳孔扩张(交感神经扩张，副交感神经收缩)或心率(交感神经加速，副交感神经减慢)。 Samuels和Szabadi(2008)全面回顾了LC在唤醒和自主功能中的作用的解剖学结构。NE的释放通过LC致密的兴奋性投射到大脑皮层的大部分和其他与警觉性相关的结构来促进觉醒。同时，LC活动通过向基底前脑中促进睡眠的GABA能神经元以及整个中枢神经系统中与低觉醒相关的其他结构的实质性抑制投射来抑制嗜睡。LC活动还通过直接投射到脊髓的交感神经和副交感神经分支以及间接投射到影响自主神经系统的各种核团来增加交感神经活性和降低副交感神经活性。NE作为大脑活动的神经调节剂，在全局范围内影响大脑皮层的加工，并对认知加工产生重要影响。LC是大脑皮层NE的唯一来源，投射到广泛但高度特异的部位（图5a）。Sara(2009)和Ramos and Arnsten(2007)对NE进行了全面的综述，特别关注NE在注意力和记忆和执行功能中的作用。NE（去甲肾上腺素）的功能是通过它对感觉加工的影响来阐明的。当NE应用于听觉或躯体感觉皮层的初级感觉神经元时，自发放电率(“噪声”)降低，而对感觉刺激(“信号”)的反应则减少。换句话说，NE提高了传入感官信息的信噪比。这种效果被称为“门控（gating）”，因为它决定了哪些输入将被进一步加工。在LC的许多目标区域，包括大脑皮层、海马、中脑、丘脑和脊髓，也发现了类似的门控效应。NE还“调节”神经元的反应；例如，它提高了对工作记忆中保持的线条方向有选择性的神经元的放电率，同时降低了代表略有不同方向的相邻神经元的放电率。换句话说，NE缩小了反应神经元的调谐曲线，导致从记忆的线条方向开始的激活比略有不同的线条方向的激活程度更陡峭。在额区，NE的门控和调谐效应对注意焦点的窄或宽有重要影响。这是各种复杂的认知功能的基础，从工作记忆到学习、记忆、奖励处理、决策和行为适应。通过追踪瞳孔直径随时间的变化，研究人员可以通过间接测量NE对挑战的反应时来研究这些加工。LC-NE系统在生理唤醒中的作用与其在信号处理和认知中的具体作用有着内在的联系。在一项研究中记录的300多个猴子LC神经元中，几乎所有的神经元都对视觉识别任务中的目标刺激有选择性地做出反应，而对干扰物则没有反应，这表明LC- NE系统选择性地促进相关感觉信息的加工。正如预期的那样，这种任务相关刺激的优先加工在极低和极高的唤醒水平下都会减少。因此，在LC中基线活动极度减少和极度升高的时期，分别导致嗜睡和生理唤醒，伴随着猴子反应时间的更大变异性，错误警报率上升，以及对任务相关刺激的LC反应大大减弱。只有中等水平的紧张性LC活动，导致警觉性和注意力集中，似乎才允许LC对任务相关刺激的相性反应(图5c)。综上所述，无论是极低水平的紧张性LC活动还是高水平的紧张性LC活动，都伴随着缺乏任务相关的相性LC反应和较差的任务表现，而中等水平的紧张性LC活动伴随着对任务相关刺激的相性反应和良好的任务表现。在行为层面上，Yerkes和Dodson(1908)对这种inverse-U关系进行了著名的描述。使用瞳孔扩大作为LC-NE活动的衡量标准，LC-NE活动和任务表现之间的关系已经在人类身上显示出来。中等水平的LC活动伴随着对任务相关刺激的阶段性瞳孔扩张，与低紧张性和高紧张性扩张都与更好的表现相关，后者与相位反应减弱有关。关于LC-NE系统在注意和行为中的作用，已经提出了两种不同的理论：自适应性增益理论（the adaptive-gain theory）和意外不确定性理论（the unexpected-uncertainty theory）。自适应增益理论假设LC-NE系统在探索未知但潜在的优势资源和开发已知但潜在的劣势资源之间进行平衡。根据这一理论，中等水平的紧张性LC活动，导致集中注意力和任务投入，与开发有关，而高水平的紧张性LC活动，导致分心和任务脱离，与探索有关。另一方面，意外不确定性理论假设，紧张性LC活动反映了即将发生事件的概率的不确定性。根据这一理论，高水平的紧张性LC活动反映了高度的不确定性，而中等水平的LC活动反映了一定程度的可预测性；当新的感觉输入从根本上偏离参与者的普遍期望时，阶段LC活动在中间水平被激发，这通常是与行为相关的刺激引发了对先前解释的更新。
图5.大脑中的去甲肾上腺素和多巴胺通路及其与认知能力的关系。a）LC是皮层NE的唯一来源，但在整个神经系统中有广泛和高度特异性的联系。LC-NE系统促进生理唤醒，对多种认知功能至关重要，如注意力、记忆和决策。b)腹侧被盖区(VTA)的多巴胺细胞支配投射到边缘区和皮质区的中皮质边缘通路。在纹状体通路中，纹状体接受来自黑质多巴胺细胞的输入。c）任务表现在NE中间水平是最佳的，在这个水平上，任务相关的刺激引起明显的阶段性LC反应。低水平的神经递质与注意力不集中的行为和困倦有关，而高水平与注意力分散有关。d）和NE一样，多巴胺水平和认知控制能力之间的关系可以用二次函数来描述。具体来说，这种倒U型关系已被广泛记录在D1受体活动和工作记忆表现中。采用同时进行的功能磁共振成像和瞳孔测量的研究表明人类瞳孔扩张和LC中的BOLD信号是时间耦合的，支持将瞳孔扩张作为衡量人类LC活动的指标。基于对目前可用的瞳孔测量-功能磁共振成像联合研究的回顾，瞳孔扩大似乎也与当前任务需求所涉及的大脑区域的活动相关。在此根据不同的任务提供了三个例子。首先，在一项数字分类功能磁共振成像任务中，瞳孔扩张被用作BOLD信号的回归因子，并被发现与左侧前额叶皮质和双侧顶叶皮层区域的激活存在时间相关性，这些区域与工作记忆和认知控制有关。同样，在赌博任务中，瞳孔扩张与双侧后下前额叶皮质和辅助运动前区的激活在时间上相关，这些区域与决策有关。第三，在多目标跟踪范式中，不同数量被追踪对象之间瞳孔扩张的个体差异预测了额顶叶背侧注意网络的活动，包括FEF、前部和后部顶叶内沟和顶上小叶内追踪对象的数量。除了上述与任务相关的发现之外，研究还表明，静息态功能磁共振成像或心理成像期间的瞳孔扩张与默认网络区域(内侧前额叶皮质、顶下小叶、楔前叶和后扣带回的连接)的激活在时间上相关，与感觉运动区域的激活负相关。在这项研究中，在瞳孔缩小之前，默认网络区域的活动缓慢增强，同时感觉运动皮层中的BOLD被广泛抑制。鉴于这些发现，有研究者认为瞳孔扩张所反映的紧张性LC活动增强与感觉运动加工的抑制和自发思维的产生有关。作为这种复杂相互作用的一种可能的神经机制，作者提出了后顶下小叶和LC之间的滞后联系，充当调节紧张性LC活动和探索与开发之间的平衡的神经累积器。综上所述，这些研究表明瞳孔反应不仅与LC活动相关，还与任何其他类型的与正在进行的思维加工相关的皮层活动相关。作者认为瞳孔与大脑的关联至少可以用两种方式来解释:(1)瞳孔扩张反映了注意力的集中和精神上的努力，因此应该自然地与执行特定任务的大脑区域相关联。换句话说，瞳孔扩张和特定大脑区域的活动应该是时间耦合的:随着任务的展开，反映在瞳孔扩张中的唤醒和精神努力会有起有落，并且暂时与所涉及的大脑区域的活动相关联。(2)还有一个更机械的解释，尽管两者并不互相排斥。NE提高了与任务相关的大脑区域的信噪比，这反映在与任务相关的BOLD信号的增加上。与此同时，NE也使瞳孔扩张。换句话说，瞳孔扩张的幅度和BOLD信号应该是相关的，更高水平的神经增益和任务参与反映在更大的瞳孔扩张上。上述认知任务的大部分研究在功能磁共振成像（fMRI）分析中使用瞳孔扩张的平均测量值作为回归因子，而静息态研究使用原始的瞳孔扩张时间进程。原始瞳孔扩张和BOLD信号之间的相关性揭示了时间耦合的一个方面，但是BOLD和平均瞳孔扩张之间的相关性也表明了振幅的耦合。当任务相关的瞳孔反应在多次试验中平均数秒时，仍然显示出与BOLD信号的相关性，这不能仅仅用时间耦合来解释。因此，证据似乎与这两种解释一致。瞳孔扩张作为LC-NE系统活动的一种测量手段，不仅与BOLD信号有关，而且与EEG信号有关。许多研究将瞳孔测量与脑电图相结合，试图描述两种方法测量的过程之间的重叠和差异。到目前为止，还没有对儿童进行过这样的研究，需要更多的研究来证明成年人的研究结果在所有年龄段都成立。与任务诱发的瞳孔扩张一样， P3被认为是LC-NE活动的标记。P3是研究最多的ERPs之一，在任务相关刺激出现后300-600毫秒达到峰值，在额叶中央中线电极处最为显著。P3反映阶段性LC-NE活动的概念得到了许多人类和动物研究的支持。例如，一项灵长类动物神经生理学研究发现，LC神经元放电和同时测量的P3都是由视觉“oddball”任务中的目标刺激选择性激发的。LC-NE系统P3和瞳孔扩张之间的具体关系最近才得到更深入的研究。在一项研究中，在听觉oddball任务的刺激呈现之前，紧张性瞳孔的扩张显示出与诱发的P3振幅和任务表现的倒U关系，支持P3振幅反映阶段性LC-NE活动和任务参与的说法。此外，P3波幅和刺激诱发的瞳孔扩张在实验过程中显著降低，表明任务投入减少，而刺激前瞳孔直径和反应时间增加，显示注意力分散性增加。一项类似但更具数据驱动力的研究显示，刺激前瞳孔直径、刺激诱发的扩张和类似P3的脑电图成分之间存在可比关系。这项研究还显示了刺激诱发的瞳孔扩张和试验前脑电图α带活动（8-12赫兹）之间的联系，即α降低，表明注意力提高，同时刺激诱发的瞳孔扩张增加，与任务投入增加有关（图5c）。这些结果表明，阶段性瞳孔扩张和P3之间有着密切的联系，使得瞳孔测量术成为EEG关于注意力、新颖性和惊奇性研究的一个很有前途的替代品（或补充）。最近的一项调查揭示了更多的差异，表明这些措施至少部分反映了不同的潜在机制。瞳孔测量提供了一种比特定的事件相关电位成分更间接、更全面的大脑功能测量。总的来说，瞳孔放大和P3振幅都被用来衡量大脑皮层神经元的活动和任务导向注意力和注意力通常是由相似的认知任务引起的。尽管如此，这两者是不可互换的，还需要进一步的研究来阐明这两种方法是如何独立或共同阐明认知加工的。总之，对成年人的研究已经开始揭示瞳孔测量法与脑电图和功能磁共振成像之间的精确关系，并证明瞳孔测量法可以增强这些方法。例如，在全脑功能磁共振成像分析中纳入概率关系作为回归因子，增加了结果的敏感性和特异性，并揭示了比仅用功能磁共振成像更精细的时间模式。需要同时进行瞳孔测量和大脑成像数据收集的额外研究来更清楚地阐明它们之间的关系，但是迄今为止的证据足以得出瞳孔直径是大脑功能的间接测量的结论。大多数使用瞳孔测量法的认知实验集中在快速的任务相关的LC-NE反应上，反映在阶段性瞳孔扩张，而专注于警觉性和唤醒的研究也考虑了基线瞳孔直径所反映的缓慢的、自主的、紧张性的调节。在这里，我们只提供了一个广泛的概述的主题和现象，已经研究通过测量相瞳孔扩张，并参考感兴趣的读者更详细的评论。到目前为止，瞳孔测量法已广泛应用于成人认知的研究，越来越多的出版物反映了它在婴儿研究中越来越受欢迎。然而，迄今为止，瞳孔测量法仅用于少数研究儿童认知能力。瞳孔扩张通常被用来衡量一个人在完成一项任务时的精神努力，或者，从另一方面来说，一项任务的内在处理需求。最近的一个计算框架提出瞳孔扩张反映了能力利用率、任务需求和个体认知资源之间的平衡。关于如何将生理性瞳孔反应与认知描述联系起来的其他建议如前所述。尽管瞳孔反应的认知加工在理论上存在差异，但很明显瞳孔扩张反映了认知加工的一个特定的、强度和注意力相关的方面。例如，大量研究表明，瞳孔扩张在一系列任务中都具有一定的难度，包括短期记忆（图6a）、算术运算（图6b）、数字排序、句子理解和知觉匹配等。在所有这些任务中，较难解决问题的条件比较容易的条件引起更大的瞳孔扩张。同样的情况也出现在儿童身上，这使得瞳孔测量成为一种有前途的方法，可以用来量化任务难度的差异。认知加工强度和瞳孔扩张之间的关系也适用于不同的任务，简单的范式比复杂的范式更容易引发瞳孔扩张，即使任务来自不相关的领域，例如将感知任务与心理计算和句子理解相比较。综上所述，瞳孔直径随任务需求而变化的事实，使其成为客观测量任何年龄参与者认知加工强度的一个有价值的工具。瞳孔扩大还揭示了任务中哪些试验会产生最大的认知努力，例如目标检测任务中的目标音调（图6c）或认知控制任务中的不一致试验（图6d）。同样，成人和婴儿在听觉oddball范式中对嵌入在一系列相同音调中的异常音调表现出较高的瞳孔反应。在儿童中，通过瞳孔扩张来揭示实验中每个时间点的认知加工强度，对儿童的主动和反应性认知控制和工作记忆进行了研究。瞳孔扩张除了反映个体认知加工的特点外，还反映了个体对瞳孔扩张的认知特点。在一项研究中，智力测试得分较高的成年人在一些认知任务（心理乘法、数字广度、句子理解）中的瞳孔扩张比分数低的人小，这表明熟练度高的参与者完成任务的努力更少。本研究强调了瞳孔反应与认知加工个体差异之间的关系。在儿童身上进行过类似的研究尚不清楚，但是注意到瞳孔反应对于那些太小而不能提供可靠的自我评估的儿童来说是一种很有前途的客观测量方法。与上述研究一起考察了操纵任务难度的影响，瞳孔扩张似乎反映了认知加工中强度和注意力如何随着时间的推移而展开，这是由任务需求以及认知功能的个体差异所决定的。虽然在此强调了瞳孔测量法用于考察认知的研究，但它也可以用于研究对动机显著刺激的反应性。事实上，瞳孔扩张已经被证明是疼痛感知、消极情绪、性吸引力和主观偏好的一个敏感指标，它强调了瞳孔扩张反映了一系列情境下的觉醒，而不是针对认知挑战的。因此，需要严格的实验控制以避免潜在的混淆。
a）短期记忆:数字跨度任务。被试看到3-8个数字，每个数字依次出现一秒钟，并试图在3秒钟的保持间隔后回忆起所有数字。瞳孔扩张随着短期记忆负荷的增加而增加。b）工作记忆:乘法任务。要求被试在脑子里将两个视觉呈现的数字相乘。数字在“容易”条件下最小，在“中等”条件下较大，在“困难”条件下最大。瞳孔扩张随着任务难度的增加而增加，并在刺激出现后的几秒钟内保持升高。c)任务相关处理:oddball任务。被试聆听一连串的听觉刺激，并被指示只对目标音调做出反应就按下按钮。目标音调(1500赫兹)占所呈现刺激的10%，80%是标准刺激(1000赫兹)，10%是新刺激(铃铛、哨子、喇叭等)。对标准刺激没有瞳孔扩张的迹象。新的刺激引发了超过0.5毫米的明显瞳孔扩大，但是目标音调引发了2毫米的更大的反应，反映了对任务相关刺激的选择性取向。d）认知控制:Stroop任务。被试被要求说出320个字母组合的颜色，持续2秒钟。在一致试验中，彩色字母构成颜色的名称，而在不一致试验中，字母构成另一种颜色的名称。非颜色词被用作控制条件。相对于非颜色词，瞳孔扩张在一致试验中减少，在不一致试验中增加，这表明瞳孔扩张是认知控制的一个敏感指标。在一项研究中瞳孔测量已被用于阐明婴儿的物体持久性，这一话题已经引起了数十年的争论。在一项研究中，婴儿的瞳孔被记录下来，同时他们观察的事件是否违反了物体持久性的原则：一个吊桥，要么通过一个封闭的盒子，要么在接触到隐藏的物体时停止。在控制条件下，吊桥的移动方式与实验条件下相似，但没有盒子（有关更详细的描述，请参见图7a）。盒子对瞳孔扩张的影响仅限于试验开始和结束时，盒子在一种情况下可见，但在另一种情况下不可见（图7a，虚线），并且吊桥旋转角度的影响仅限于与吊桥移动相关的力矩（图7a，细实线）。这些发现表明，婴儿在这一范式中注意到了相关的特征和事件，而且瞳孔的扩大甚至在出生后的前10个月内也是认知加工的敏感指标。接下来，为了测试婴儿对物体持久性的认知，测试了盒子的存在与吊桥旋转角度之间的交互作用（图7a，粗实线），表明婴儿对不可能事件的加工与可能事件的加工方式不同。这两个因素之间没有相互作用，这一事实使婴儿对盒子在被堵住后继续存在的认识以及他们对物体持久性的认识产生了怀疑。第二项研究旨在评估在编码时注意力分配的差异在多大程度上可以解释儿童和成人之间短期记忆（STM）的差异。从先前的研究中可以看出，瞳孔扩张而被记住的数字是以数字跨度范式呈现的，当数字需要保留时，瞳孔会扩张，当数字被回忆时会慢慢收缩（图6a）。在这里介绍的发展性研究中，10岁的儿童和成年人执行了一项任务，要求他们记住一些超过他们的短时记忆能力的数字，即短时记忆“负荷”任务。儿童的瞳孔在数字出现的整个过程中并没有扩张，而是在第六个数字附近稳定下来，后面的数字出现收缩（图7b），这表明他们的注意力在刺激序列结束之前减弱。成人到达类似的显著高峰要晚得多。值得注意的是，达到扩张峰值的数字的位置预测了儿童或成人的STM能力（在标准数字广度任务中测量）高于或高于用眼动追踪任务测量的STM能力。因此编码时认知资源的分配是STM发展的一个重要因素。如果在试验结束时收集行为测量值，就不可能直接测量编码过程中的认知价格；相比之下，使用目测法，则可以在整个试验过程中收集每时每刻的测量值。
图7.在发展性研究中使用瞳孔测量的例子。 a）十个月大的婴儿看到吊桥旋转时，会挡住后面的盒子。婴儿的瞳孔对吊桥的旋转（旋转的主效应为180°或120°时）和盒子的存在（盒子的存在或不存在的主要影响）作出反应，但对违反物体永久性原则（盒子存在和180°的情况）没有反应，正如两者之间的互动所揭示的那样。b）短期记忆。儿童和成人在听一长串要回忆的数字时瞳孔扩张的差异。在序列结束之前，儿童瞳孔直径的过早下降表明他们较差的回忆表现可能是由于在编码过程中缺乏注意力和没有分配足够的认知资源造成的。几十年来，关于瞳孔扩张的科学研究已经吸引了很多人的注意。不同试验事件（第一个研究中的桥梁移动和物体的阻塞；第二个研究中每个数字的出现）的影响可以通过测量每个事件的瞳孔扩张来分别描述。同样的情况在行为的总结性测量中是不可能的，比如看的时间或行为反应，这些反应反映了在试验中不同时间点操作的各种心理加工的最终结果。此外，解释瞳孔扩张比观察时间更直接，因为它与单个大脑系统有密切联系。瞳孔直径由大多数传统的眼动仪自动测量，因为瞳孔追踪对于确定注视位置是必要的。现代眼动仪包括校准软件，瞳孔直径以毫米为单位（而不是像老一代眼动仪那样的像素）。瞳孔直径在强光下为1.5毫米，在完全黑暗时为9毫米。由于亮度的变化，它们的大小可以加倍或减半，但认知诱发反应通常小于0.5毫米。然而，当亮度保持不变或者当数据已经从亮度变化的影响中清除时，例如使用Pomplun等人(2009)提出的方法，可以可靠地检测到这些变化。一些研究人员在光线昏暗的房间里进行瞳孔测量实验，目的是获得瞳孔扩张的最大振幅。与这种直觉相反，认知诱发的瞳孔扩张在中等光线下比在黑暗中更大（图1b和图4）。因此建议在光线适度的房间里进行认知实验。瞳孔扩张可以在亚毫秒的时间范围内测量，但是研究人员在设计实验时应该记住瞳孔系统的反应潜伏期。在突然闪光后，瞳孔需要1.5秒钟才能达到最大收缩，并且在大约1秒钟的延迟后追踪亮度的缓慢变化。在认知研究中，瞳孔通常在刺激出现后立即开始扩张，但根据任务的性质和难度，大约需要1-1.5 s才能达到最大诱导扩张。为了减少连续刺激和试验之间的重叠，大多数研究人员将随后的刺激暂时分开大约1秒钟，并插入至少3秒钟的试验间隔。然而，分析方法也存在于更快的有意识感知边界的任务设计中。与发育研究相关的是，瞳孔直径随年龄变化。在生命的第一个十年，直径迅速增加(在昏暗的光线下测量，从1个月大的婴儿的5.66毫米开始)，在11-15岁时达到稳定状态(在昏暗的光线下直径在7.10-7.45毫米之间)，之后缓慢但持续地缩小(80岁的老人达到4.5毫米)。这些变化部分地与大脑NE水平的变化一致。为了解释与年龄相关的差异，应该使用瞳孔相对于基线的相对测量值，而不是绝对直径。综上所述，任务诱发的瞳孔反应的可能混淆因素包括测试相关因素，如变化的刺激亮度、刺激的快速呈现和变化的照明条件，以及各种参与者相关因素，如年龄、觉醒、焦虑水平和影响NE水平的药物(如咖啡因、大麻和各种药物)的使用。与测试相关的因素比与参与者相关的因素更容易控制，尽管可以要求参与者在测试前不要服用兴奋剂或其他药物，并且友好的测试环境有助于减轻焦虑。幸运的是，这些因素中的许多被认为是影响基线瞳孔直径，而不是认知研究中通常感兴趣的阶段性任务诱发反应，因此它们的影响通常会被记录下来，但只有在极端情况下才会考虑在内。分析瞳孔测量数据的第一步是数据清理。需要识别和删除反映测量误差的膨胀值，并且可以对通常由眨眼引起的丢失数据的短间隙进行插值。在下一步中，通常将绝对瞳孔直径转换为相对瞳孔扩张。为了获得三次相对瞳孔扩张，从试验中的每个数据点减去试验开始前的瞳孔直径。在下一步中，相同实验条件的试验在被试中平均。脑电分析软件可以用这种方式预处理瞳孔测量数据，尽管许多研究人员开发了他们自己的内部预处理程序。在下一步中，可以使用标准统计软件在不同组之间或不同条件之间比较数据。比较瞳孔反应的最简单方法是计算少量预定义时间窗(例如，刺激呈现和反应)的平均瞳孔扩张，并使用t检验、方差分析或回归进行比较。使用其他方法(例如函数数据分析)可以获得更敏感的结果。这里，瞳孔反应的时间进程由数学函数拟合，然后提交给统计检验。所得到的测试统计数据也是随时间变化的函数，使得能够确定超过临界值的确切时间点，而无需控制由于时间点的数量而进行的多个比较。由于在大的时间窗内平均不会丢失数据，这使得函数数据分析成为分析瞳孔扩张的一种灵敏而精确的方法。分析瞳孔扩张数据存在许多可替换方案。自动去卷积已经被用来分析就速度而言处于意识感知边缘的任务。主成分分析(PCA)已经被用来分解瞳孔扩张波形，并分离出与任务表现和一般认知能力相关的瞳孔扩张成分。时频分析，如傅立叶变换和短时傅立叶变换，揭示了瞳孔扩张信号中与警觉性相关的特定频带。希尔伯特分析阶段被用来从反映认知超负荷的瞳孔反应中提取信号。还提出了各种方法，例如独立分量分析(ICA)，以促进瞳孔测量与功能磁共振成像、脑电图、遗传学或其他数据的结合。如上所述，瞳孔扩张为儿童和成人的神经认知加工提供了丰富的衡量标准，适用于各种数据分析技术，从经典的均值比较到更多的数据密集型方法，如PCA和时频分析，再到机器学习和大数据领域的尖端统计方法。然而，关于研究设计和解释，有几个关键点必须牢记在心。首先，除了认知需求外，如果控制不当，各种因素都会影响瞳孔大小。然而，通过严格控制的实验，有可能分离出对认知操作敏感的任务诱发的瞳孔反应。其次，研究人员必须记住，瞳孔扩张只能间接测量LC-NE活动。然而，LC-NE系统和瞳孔扩张之间的关系已经通过各种方法建立起来，包括通过药理学操作和脑成像技术进行的人类和动物研究，使研究人员能够从瞳孔测量数据中推断神经加工。多巴胺(DA)是一种重要的神经递质，参与学习、工作记忆和目标导向行为。尽管对动物模型和成人样本进行了数十年的研究，但目前缺乏直接测量儿童和青少年多巴胺活动的合适方法。有人提出自发的眨眼率或眼睑开合的频率可以作为中枢神经系统多巴胺活动的一种非侵入性的间接测量。眨眼有多种功能，从维护眼睛健康到非语言交流。有三种主要类型的眨眼:自愿的、反射的和自发的，它们的目的和潜在机制不同。反射性和自发的眨眼都不是自愿发生的。反射性眨眼主要是作为对环境刺激的反应而发生的，并导致眼睑快速闭合，例如保护眼睛免受外来颗粒的伤害。相比之下，自发眨眼发生在没有这种触发器的情况下，其特征是眼睑高度同步和短暂的闭合和重新打开，这种运动有助于将泪膜均匀分布在眼睛上。控制眼睑开合的肌肉分别是上睑提肌和眼轮匝肌(图1a)。非人灵长类动物的神经影像学研究表明，自发眨眼在整个大脑皮层产生广泛的激活模式，但有趣的是，在对自发眨眼产生反应的区域，如FEF和外侧顶叶内皮层。在啮齿动物模型中的研究指出，延髓的脊髓三叉神经复合体是控制自发眨眼的回路中的一个关键区域，它与反射性眨眼的有明显相关。有人假设多巴胺通过调节脊髓三叉神经复合体的抑制来间接调节自发眨眼的频率。尽管控制眨眼速率的精确神经回路仍需要进一步研究，但有研究表明自发眨眼速率和中枢神经系统多巴胺能活动之间存在联系。眨眼率已被用作各种认知和情感功能中多巴胺（DA）含量的外周测量。我们控制冲动的能力、保持长期目标的能力以及灵活适应环境变化的能力都是认知控制的重要方面。DA是支持这些功能的额纹状体回路的重要神经调节剂。有人提出，在以目标为导向的行为中，DA有助于维持认知控制层次中较高水平的抽象目标，同时也允许灵活地更新指导实现子目标的较低水平的规则。就像对于NE(图5c)，认知控制和DA之间的关系通常用倒U形函数来描述，如图5d所示。有证据表明，这种关系可以通过眨眼率来捕捉，例如在发散性思维任务的认知灵活性的背景下以及在认知衰竭后的注意力任务的表现。该领域的大多数研究都将基线眨眼率与认知控制联系起来，通常显示出正线性关系。与认知控制相关的不同功能被归因于这两个DA受体家族。例如，D1信号传统上与长期目标表征的维持有关，而纹状体中的D2信号与灵活处理和分心能力的增加有关。有人研究了年轻人的样本中测试了基线眨眼率与认知控制的这些维度之间的关系，发现更高的眨眼率预示着Set-Shift和Stroop任务的表现更好，但在消耗工作记忆更新任务(3-back)上表现更差。这些结果表明基线眨眼率越高，认知灵活性越好，但维持性越差。然而，其他研究表明，基线上眨眼频率越高，在对工作记忆要求较高的任务上分心程度越低。需要对认知灵活性、更新和维持过程进行研究，以便更好地理解DA对认知控制的调节作用的哪些方面可以通过眨眼率得到体现，这对于研究DA如何影响这些不同过程的发展轨迹至关重要。
A)眨眼率与腹侧纹状体(白圈)和尾状核(黑圈)D2-like受体可用性的PET测量值呈正相关，而与壳核(灰圈)无关。这些关系在D1-like受体中没有观察到。 B)从(A)叠加在黑尾猴MRI模板的纹状体体积上的眨眼率与D2-like受体可用性的体素线性回归的统计图(p值)。 C) 全身施用阿扑吗啡(一种非选择性多巴胺激动剂)，使狨猴的眨眼率以剂量依赖性方式(橙色线)高于基线水平(生理盐水注射，黑线)。 D)这一效应仅被D1-拮抗剂SCH39166(蓝线)逆转，但不能被D2-拮抗剂氟哌啶醇(未示出)逆转。 除了静态眨眼率之外，一些范式还可以用来测量任务诱发的眨眼率，这可以作为阶段性DA的间接测量，并且可以为DA和认知控制之间的关系提供额外的见解。例如，阶段性DA释放与“Go”信号相关，该信号增加了与正在进行的目标导向行为相关的语境特征的选择性更新。一个类似的现象在与任务相关的Flanker任务的眨眼率中被发现，其中在一个试验中自发眨眼的发生预示着在随后的试验中更强的控制力。这些发现表明，任务诱发的眨眼率可以捕捉通常与阶段性DA释放相关的功能，并指出使用类似的范例来逐时检查DA系统功能的差异如何导致认知控制的年龄相关差异的可行性，特别是在给定不断变化的任务需求的情况下，主动更新所需控制水平的能力。除了认知控制，DA还支持学习。纹状体DA活动与强化学习有关，因为它发出奖赏预测错误的信号，当奖赏大于预期时，表现出大的阶段性DA释放，当奖赏小于预期时，释放率低于基线。此外，较低的紧张性（tonic）DA水平与更好地从负面结果中学习的能力有关。这种DA相关的效应已经用眨眼率进行了研究。研究发现与休息时眨眼率较高的参与者相比，在概率学习任务中，眨眼率较低的参与者从负面结果中学到的东西比从积极结果中学到的更多。在另一项研究中，正反馈被发现在D2-like受体效用的正电子发射断层扫描测量值和反向学习任务的表现之间起中介作用。眨眼率介导了D2-like受体的有效性和D2-like受体密度的离体测量之间的关系，从而在DA的这些测量和奖赏敏感性的行为测量之间提供了关键的联系。综上所述，这些研究表明眨眼率可以用来衡量多巴胺相关的学习，并有助于联结神经成像和多巴胺活动的直接测量。从婴儿期到成年期眨眼率的发展轨迹主要是以横断面样本为特征的。根据迄今为止的发现，即使是胎儿也能够在妊娠晚期产生自发眨眼。新生儿和婴儿的眨眼率非常低，平均每分钟眨眼不到3次。儿童期眨眼频率增加(6-8次眨眼/分钟)，并在青春期后期稳定在成人水平(10-20次眨眼/分钟)。多巴胺与认知控制密切相关，认知控制在儿童和青少年时期经历了重要的变化。前额叶-纹状体网络的发展在一定程度上推动了这些能力与年龄相关的提高。儿童期和青春期多巴胺系统发生动态变化，这可能有助于认知控制的发展。例如，青春期纹状体多巴胺活动的增加可能部分与青春期观察到的学习灵活性增强有关。尽管迄今为止还没有研究使用眨眼率纵向测量多巴胺和认知控制的发展，眨眼率可以作为儿童期多巴胺功能的测量。他们在休息时和执行需要规则转换的任务时使用眨眼率来区分典型的发育中儿童和患有抽动秽语综合征（TS）的儿童，抽动秽语综合征是一种与多巴胺水平升高相关的疾病。与对照组相比， TS患者在需要在两种规则之间灵活切换时，更有可能应用不正确的规则。患者还表现出一致的高眨眼率，其中他们未能显示出发展中的儿童通常表现出的眨眼率作为任务难度的函数而逐渐增加的模式(图9a)。这种效应甚至在未用药的儿童中也观察到，并且对眨眼率有选择性，因为没有发现与瞳孔缩小的幅度或时间相关。这项研究提供了证据，眨眼率可用于检查不同儿童群体中多巴胺功能和认知控制参与的个体差异。对啮齿类动物和非人灵长类动物的研究表明，受多巴胺影响的皮质-纹状体回路在发育过程中会发生动态的非线性变化。青春期是多巴胺系统可塑性增强的时期，前额皮质和纹状体中的D2受体显著增生。有人提出，青春期纹状体多巴胺活动的峰值影响奖赏加工和感觉寻求。眨眼率可以有力地衡量青少年和成年人之间与年龄相关的奖励敏感度的差异。有研究使用一项高风险的决策任务来测试眨眼率是否会预测参与者选择收益最大化的选项的频率，而不考虑获胜的概率。尽管眨眼率的基线水平在青少年和成人之间没有差异，但更高的眨眼率只预示着青少年组更多地使用增益最大化策略。考虑到基线眨眼率没有组别差异，在未来的研究中测试与任务相关的眨眼率是否能够捕捉DA贡献，以及根据过去的得失更新决策策略的能力方面的年龄差异将是有趣的。能够引导决策转变的学习类型，在一定程度上需要在线索、行动和长期结果之间建立联系——换句话说，就是学习规则。眨眼率可能是一个有价值的工具来测试多巴胺参与规则学习。研究发现八个月大的婴儿能够学习隐含的等级规则，并且使用高阶规则转换的试验会导致更高的眨眼率。重要的是，这种与眨眼率的关系只出现在实验的后半部分，也就是学习规则集的时候。这种学习过程依赖于成年人和其他物种的多巴胺神经通路。尽管这项研究的眨眼率结果表明多巴胺系统在婴儿期的功能作用类似于其在成年期的作用，但在人类生命的最初几年中，多巴胺系统的功能特性或发展还没有被很好地理解。有来自纵向研究的间接证据表明，考虑到在4至12个月大的婴儿中观察到静息眨眼率增加，该系统可能会发生快速变化。这些表明眨眼率可以作为从婴儿期开始的整个发育过程中多巴胺的标志。眨眼率的测量还可以为决策和学习的发展研究提供信息。未来的研究可以评估决策范式中的任务诱发眨眼率是否具有捕捉DA释放的阶段性变化所需的时间分辨率，这种变化已知发生在奖赏加工过程中。如果是这样的话，这一指标可能被证明对评估决策灵活性的变化(即决策策略的变化)以及表征强化学习(例如过去的结果如何影响未来的战略使用)在不同的发展阶段是有用的。此外，眨眼率可能是考察学习过程中个体动机差异的合适方法。眨眼率也可以作为一种有用的方法来评估学习过程中与激励相关的学习成绩变化(通过阶段性眨眼率来衡量)是否预示着未来的学习成功。
a)在需要规则转换灵活性的任务执行过程中的眨眼率可用于区分典型的发展中儿童和患有抽动秽语综合征的儿童。患者在休息时表现出比对照组更高的平均眨眼率，并且眨眼率也没有表现出与任务难度相关的增加。b)在冒险决策任务中，静态眨眼率与年龄相关的奖励寻求行为差异之间的关系。较高的眨眼率预示着青少年会更多地使用增益最大化策略，但成年人不会。一些最流行的记录眨眼率的方法是红外眼动仪、EOG、肌电图、脑电图和摄像机。除了内置于电脑中的摄像机之外，眼动仪可以说是最具成本效益和最方便的方法。由于眨眼通常被认为是数据记录中的一个空白，传统的眼动仪无法让研究人员准确区分数据丢失是由于眨眼、肌肉伪影(如打哈欠)还是头部移动远离眼动仪镜头造成的。然而，较新的模型具有解决这些问题的内置技术，例如针对小头部运动的自动调节、瞳孔扩张的同时测量以及可用于在数据的子集内执行眼睑闭合的手动检查的摄像机。尽管结合这些特征可以提高眨眼检测的准确性，但仍有可能将反射性或随意性眨眼误分类为自发眨眼。需要开发具有更高精度的检测算法以提高根据可以从眼动仪获得的数据计算眨眼率的有效性。眨眼在眼动追踪数据中被定义为大约100-500毫秒的连续周期(对应于自发眨眼持续时间的典型范围)，在此期间不记录眼睛的坐标或瞳孔直径。该阈值可能因仪器的采样率或其他方法因素而异。眨眼率随后被计算为在特定时间间隔内眨眼次数，并且通常以每分钟眨眼次数来表示。一种使用频率较低的反向度量是互眨眼间隔，它指的是两次眨眼之间的时间。另一个重要的考虑是何时测量眨眼率。基线眨眼速率被用作紧张性DA水平的替代指标，而在任务执行期间记录的眨眼速率被认为是反映阶段性DA的指标。获得基线或紧张性测量的典型范例包括让参与者在黑暗的计算机屏幕中心注视注视十字点5-6分钟和短至3分钟，以便能够捕捉自发眨眼率波动。在事件相关或组块设计中，响应于任务操纵来捕捉相位或任务相关的眨眼率，并且数据在不同长度的静态或移动窗口上求平均，并且短至30s。或者，一些研究还将眨眼率视为时间序列数据，这便于在自然观看期间检查事件相关的眨眼率调制。为了最大限度地提高自发眨眼率测量的可解释性，需要考虑几个方法因素。这些包括控制可能影响眨眼行为的环境和特定主题变量。具体来说，影响眼睛湿度水平的因素，如干眼症、季节性过敏、房间的温度和湿度，以及隐形眼镜的使用直接影响一个人眨眼的次数，以恢复最佳的眼睛湿度水平。此外，空气污染物的存在，如香烟烟雾，引发反射性的眨眼率。这些因素可以通过保持室内温度和空气质量稳定、让参与者戴眼镜而不是隐形眼镜、如果可能的话，为患有季节性过敏或感冒的参与者重新安排会议来控制。眨眼率也会受到睡眠剥夺的影响，以及某些影响DA系统的药物和兴奋剂，如咖啡因、大麻和抗精神病药物。建议参加者在实验前好好休息，并避免使用这些药物，以尽量减少使用的急性效应。在参与者不能拒绝治疗的情况下，需要纳入未用药的患者或进行剂量-反应分析。眨眼率也易受实验设计引起的混淆的影响。例如，在长时间的实验中，眨眼率随时间因素而增加，因为它可以影响眼睛的湿度并且还产生疲劳，这两个因素都调节眨眼率。频繁的休息可以消除这些问题。此外，不管脑力负荷如何，引起大幅度眼跳或涉及复杂视觉处理的视觉设计都可能增加眨眼率。因此，如果测量与事件相关的眨眼频率，建议在屏幕中央呈现视觉刺激，以减少眼跳次数。最后，一天中进行实验的时间也会影响结果，因为眨眼频率在晚上会增加。通常建议会议在下午5点前进行。即使控制了环境和实验设计因素，眨眼率仍然难以获得的特殊人群是婴儿和幼儿。行为状态的变化可能会改变眨眼的速度，数据的有效性也可能会受到过度情绪导致的假象或数据空白的影响。最近的技术进步，例如自动身体运动调节和更轻的头戴式装置可以减轻与头部运动相关的某些挑战，但是对于紧张性测量保持固定注视的时间要求仍然可能使数据不可靠。因此，建议在获取视觉数据的过程中，也要仔细监控婴儿或儿童的行为状态。尽管有这些警告，眨眼率仍然是一个可以加深我们对多巴胺能系统发展的理解的指标，以及多巴胺在发展过程中对目标导向行为和学习的贡献。瞳孔测量和眨眼率，就像注视一样，是认知加工特定方面的敏感测量指标。所有三种视觉测量都可以在一次实验中用相同的设备收集，并且可以提供关于认知加工的补充信息。虽然瞳孔测量和眨眼率在成人中被广泛使用，但在婴儿中的使用程度较低，同时在儿童和青少年中的使用要少得多（这是一部分研究空白）。概括地说，注视可以提供对注意力焦点的即时测量，并且可以揭示在复杂的任务中使用了哪些认知策略。瞳孔扩张提供了一个进入大脑的LC-NE系统的窗口，并揭示了认知任务的主观难度和当前认知过程的强度。眨眼率由多巴胺调节，并已被用于研究认知控制、学习、工作记忆和决策。眼睛注视度量特别适合于揭示视觉处理过程中有关注意力集中的方面。眼跳和注视可以揭示所显示的信息的哪些部分是最显著的，以及在复杂的刺激集中信息被处理的程度和顺序。注视还可以揭示在一项任务中几条信息是如何整合或比较的。与非常适用于视觉复杂任务的眼睛注视测量不同，瞳孔扩大和眨眼率最好在具有听觉刺激或简单视觉设计的任务中获取，这种设计可最大限度地减少伪迹的来源，例如眼球运动和大亮度对比度。瞳孔扩大和眨眼率可以同时记录，假设相同的任务设计可以同时优化；因此，有可能会探索这两个指标是如何联系在一起的。多巴胺和去甲肾上腺素是密切相关的儿茶酚胺，它们调节重叠脑区的神经活动(图5a和5b)，并与认知中重叠的功能作用相关。瞳孔扩张和眨眼率实际上反映了与多巴胺和去甲肾上腺素唯一相关的不同过程。例如，瞳孔扩张中的阶段性变化与信息的持续处理相关联，通常与NE相关联，而阶段性眨眼率率可以响应于与DA相关联的灵活更新表征的变化需求。在工作记忆任务中，同时记录瞳孔扩张和眨眼率，瞳孔扩张与任务的工作记忆负荷成比例，而眨眼的时间与新信息的出现有关。虽然注视、眨眼率和瞳孔扩张似乎能够提供关于认知加工的补充信息，但到目前为止，只有一小部分研究同时使用了一种以上的测量方法。在同一任务中使用多个眼动追踪措施将提供独特的机会来评估它们之间的相互关系，并直接比较类似认知加工的评估。这一点尤其重要，因为所有这三种测量都被独立地用作注意力、使用的策略和费力的认知加工的测量。需要更多的研究来确定在什么情况下这些测量可能会揭示关于认知发展的互补或冗余信息。注视、瞳孔扩张和眨眼率这三种不同的眼动工具测量方法有望在不同年龄段之间获取认知加工的关键方面信息，如注意力、工作记忆、决策和认知控制。本文分别描述了瞳孔扩张和自发眨眼率的神经系统，即LC-NE系统和DA系统。其中，这些系统在许多复杂的认知功能中发挥着核心作用，如注意力和工作记忆(LC-NE)，以及奖励处理和认知控制(DA)。作者举例说明了到目前为止这些方法已经应用到的认知研究的范围、介绍了一些发展性研究中的例子以显示每种测量可以进行哪些类型的分析及结果、解释了每种方法的方法细节和注意事项。作者从合适的任务设计和潜在的认知加工两个方面对注视、瞳孔扩张和眨眼率进行了比较，表明这些测量可以作为认知加工不同方面的补充测量。对注意力和动机行为的研究可能是特别受益于这些方法的领域，但这些方法也有可能揭示更广泛认知功能背后的神经生理过程的各个方面。如需原文请添加思影科技微信：siyingyxf 或者18983979082获取,如对思影课程及服务感兴趣也可加此微信号咨询。觉得对您的研究有帮助，请给个转发，以及右下角点击一下在看，是对思影科技莫大的支持。
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