基于MATLAB的神經(jīng)科學(xué)工具包Cogent及其編程實(shí)現(xiàn)

溫 菲,岳金星

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)外語學(xué)院，哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 語言文學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001)

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基于MATLAB的神經(jīng)科學(xué)工具包Cogent及其編程實(shí)現(xiàn)

溫 菲1,岳金星2

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)外語學(xué)院，哈爾濱 150028； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 語言文學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150001)

神經(jīng)科學(xué)研究中，高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集依賴于時(shí)間精度高、功能強(qiáng)大的編程工具，從而精準(zhǔn)的呈現(xiàn)刺激材料和收集受試的反應(yīng)。Cogent便是這樣一款基于MATLAB平臺(tái)的神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)工具包。該工具包誕生于倫敦大學(xué)學(xué)院，可呈現(xiàn)并編寫聽覺、視覺以及動(dòng)畫刺激材料，以應(yīng)用于行為、腦電、功能磁共振成像等神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。Cogent程序編寫的核心有兩個(gè),第一，需要了解Cogent在呈現(xiàn)不同類型刺激時(shí)的特殊句法;其二，成功的編程還在于理解程序腳本、緩存分配和數(shù)據(jù)文件之間的分配與調(diào)用關(guān)系。由于Cogent編程語法接近自然語言，十分容易上手，非常適合不同背景的神經(jīng)科學(xué)研究人員使用。

神經(jīng)科學(xué)；MATLAB工具包；編程；刺激呈現(xiàn)

在神經(jīng)科學(xué)研究中，通用實(shí)驗(yàn)編程工具種類繁多，既有像E-Prime，Presentation，Inquisit等付費(fèi)商業(yè)軟件，亦有如DMDX等免費(fèi)的開放程序[1-2]。隨著數(shù)學(xué)計(jì)算工具M(jìn)ATLAB (The MathWorks Inc.) 的不斷普及，基于該平臺(tái)編寫的實(shí)驗(yàn)工具包為神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來了便利，例如呈現(xiàn)刺激常用的編程工具包Psychtoolbox[3]?；贛ATLAB的工具包具有免費(fèi)，精度高，可擴(kuò)展性和研究適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文介紹另一種面世時(shí)間不長(zhǎng)，面向?qū)嶒?yàn)編寫的MATLAB工具包，Cogent。

一、Cogent簡(jiǎn)介

Cogent工具包誕生于英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院，由于Cogent通過更加易懂的獨(dú)立語法調(diào)用MATLAB的底層函數(shù)[4]，這極大降低了使用的難度[5]。Cogent以卓越三的視覺圖形刺激處理而著稱，亦可以呈現(xiàn)文字和聽覺刺激，并能夠精準(zhǔn)地收集受試的反應(yīng)時(shí)間。

Cogent分為三個(gè)層次結(jié)構(gòu)[4]。底層結(jié)構(gòu)包括MATLAB、Window操作系統(tǒng)和DirectX工具;中間結(jié)構(gòu)包括以.dll為后綴的低級(jí)函數(shù)以及MATLAB接口，面向編程人員和高級(jí)用戶;最上層為Cogent高級(jí)函數(shù)包，面向普通用戶，用戶只需要將指令寫入一個(gè)m文件(MATLAB腳本文件)，執(zhí)行即可。

二、Cogent的安裝與程序基本編寫原則

1.Cogent的安裝

在倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站上(www.vislab.ac.uk/cogent.php)研究人員可以免費(fèi)下載Cogent。解壓縮Cogent壓縮包之后會(huì)在與壓縮包同名的文件夾中出現(xiàn)3個(gè)子文件夾，分別是：Documents，Samples，Toolbox。在Documents文件夾中包括所有和Cogent有關(guān)的使用手冊(cè)；Samples文件夾中是經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試可運(yùn)行的代碼，供研究人員編程時(shí)參考；Toolbox中主要包括Cogent各函數(shù)的MATLAB腳本。在MATLAB環(huán)境下，用“Set Path”加載Cogent中各文件夾目錄至MATLAB路徑之后，即可運(yùn)行含有Cogent函數(shù)的程序腳本。

2.Cogent程序編寫基本原則

一個(gè)可以運(yùn)行的Cogent實(shí)驗(yàn)程序包括Cogent程序代碼、刺激材料和數(shù)據(jù)文件。Cogent代碼規(guī)定實(shí)驗(yàn)如何運(yùn)行(例如一個(gè)詞呈現(xiàn)時(shí)間的長(zhǎng)短)；數(shù)據(jù)文件(可以為txt格式或dat格式)是程序代碼和刺激材料的中介，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，Cogent通過讀取數(shù)據(jù)文件，決定呈現(xiàn)何種刺激;數(shù)據(jù)文件通常由兩列構(gòu)成，第一列是想要呈現(xiàn)的刺激(如一個(gè)詞)或刺激的文件名(刺激需加單引號(hào))，第二列則是為該種刺激分配的編號(hào)。

一段完整的Cogent程序代碼包括三部分：配置語句、實(shí)驗(yàn)起始提示語句和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行語句,三部分缺一不可。

基礎(chǔ)的配置語句有config_display，config_sound, config_keyboard, config_mouse，等。這些配置語句告知Cogent在隨后的實(shí)驗(yàn)中所需要配置的屏幕顯示、聲音播放、輸入設(shè)備的參數(shù)。

下面以屏幕顯示配置命令config_display為例，介紹研究人員如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在config_display之后添加括號(hào)，并為其所包括的8個(gè)參數(shù)賦值，不同參數(shù)間用逗號(hào)分開。例如config_display(1,1,[0 0 0],[1 1 1],‘Helvetica’,50,4,0);表示實(shí)驗(yàn)中屏幕為全屏模式，分辨率為640*480，背景為純黑，前景為純白，字體為“Helvetica”，字號(hào)為50，分配緩存數(shù)為4，顯示每個(gè)像點(diǎn)最大像素值。

配置數(shù)據(jù)文件，同樣必不可少。若數(shù)據(jù)文件存放路徑與MATLAB環(huán)境中的當(dāng)前目錄相同，則通過命令config_data(‘文件名.dat’)即可配置數(shù)據(jù)文件，無須添加額外的路徑信息。

在配置語句之后需要用start_cogent提示計(jì)算機(jī)開始執(zhí)行cogent實(shí)驗(yàn)代碼，與之相對(duì)的是在腳本的最后，需要用stop_cogent語句提示計(jì)算機(jī)停止程序運(yùn)行。

在開始和結(jié)束提示語句的中間，寫入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行語句。該部分主要包括編寫背景對(duì)象、編寫刺激對(duì)象和編寫受試反應(yīng)收集。背景對(duì)象主要指實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的對(duì)象，例如實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語、屏幕中央注視點(diǎn)“+”號(hào)等。針對(duì)背景對(duì)象編寫代碼最重要的原則是，先將對(duì)象放入相應(yīng)的緩存單元，然后再將其呈現(xiàn)。例如下邊這段代碼可以實(shí)現(xiàn)在屏幕上先呈現(xiàn)“+”號(hào)，再呈現(xiàn)“&”號(hào)，然后再呈現(xiàn)“+”號(hào)。

但是，如果之后需要使用相同編號(hào)的緩存單位呈現(xiàn)不同的刺激，需要及時(shí)將該單位清空，以防止對(duì)象重疊呈現(xiàn)。在上例中可以用clearpict(n)命令，其中n代表要清空的緩存單位號(hào)(例如1或2)。

與該邏輯相同，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)刺激時(shí)，需要經(jīng)歷刺激的提取、載入和呈現(xiàn)三個(gè)步驟。第一步提取刺激。由于刺激呈現(xiàn)往往需要參考數(shù)據(jù)文件，因此，通常首先用getdata(r，c)語句讀取數(shù)據(jù)文件中的內(nèi)容，括號(hào)中r定義的是讀取數(shù)據(jù)文件中矩陣的行數(shù)，c對(duì)應(yīng)的是列數(shù)。如果刺激來自文件，載入文件的同時(shí)應(yīng)分配給其相應(yīng)的緩存單位。用loadpict( ‘文件名.擴(kuò)展名’，n)命令載入圖片文件，用loadsound( ‘文件名.wav’，n)載入聲音文件，文本刺激用preparestring( ‘文本’，n)語句載入，n代表編程人員為其分配的緩存單位編號(hào)。第一步與第二步的順序根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可以做相應(yīng)的調(diào)整。第三步呈現(xiàn)刺激。視覺刺激通過drawpict(n)來呈現(xiàn)。聲音刺激通過playsound(n)和waitsound(n)的命令組合來呈現(xiàn)，前者指示Cogent播放緩存n中的聲音刺激，waitsound(n)表示直到緩存n中的聲音刺激播放完畢再進(jìn)行其他操作。

三、范例

1.呈現(xiàn)文字刺激

在以語言為對(duì)象的神經(jīng)科學(xué)研究中，文字刺激的呈現(xiàn)必不可少，下邊結(jié)合Cogent自帶的范例1介紹關(guān)鍵語句(程序代碼中的%號(hào)后面的文字是對(duì)代碼語句的解釋說明)。

config_display; %采用缺省參數(shù)配置屏幕呈現(xiàn)

config_data('sample1.dat'); %從sample1.dat中讀入數(shù)據(jù)

start_cogent; for i=1:countdatarows

word = getdata(i,1); % word=表示賦值給word。

clearpict(1);

preparestring(word, 1);

drawpict(1); %此時(shí)刺激呈現(xiàn)在屏幕上。

wait(1000);

來自于阿美或自他承包商，有能力、經(jīng)驗(yàn)和資格識(shí)別腳手架安全風(fēng)險(xiǎn)，驗(yàn)證腳手架是否符合阿美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)記錄腳手架檢查及驗(yàn)收結(jié)果。腳手架檢查工程師也必須經(jīng)過阿美認(rèn)證，其證書有效期也是三年

drawpict(2);

wait(1000);

end %當(dāng)for循環(huán)在i所有可能的取值運(yùn)算結(jié)束后，在此結(jié)束for循環(huán)，程序繼續(xù)向下運(yùn)行。

drawpict(2);

stop_cogent;

上述代碼第四行for i=1:countdatarows中是一個(gè)for循環(huán)語句,表示i的值從1開始取，“:” 表示“直到”，例如1:3表示1,2,3；countdatarows為Cogent語句，表示返回?cái)?shù)據(jù)文件中的行數(shù)，如果數(shù)據(jù)文件中有3行數(shù)據(jù)，則返回3。for循環(huán)語句將在i每取一個(gè)值的情況下運(yùn)行一次，每次運(yùn)行至end再重i的另一個(gè)取值開始運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行完i所有的取值后，for循環(huán)結(jié)束，并開始執(zhí)行end之后的代碼。

2.反應(yīng)時(shí)數(shù)據(jù)的收集

在神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)時(shí)間對(duì)于研究至關(guān)重要。用Cogent可以通過編寫簡(jiǎn)單的代碼，精確地收集到這個(gè)指標(biāo)。收集到的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在與代碼同名但擴(kuò)展名為.res的結(jié)果文檔中，受試反應(yīng)的錄入情況將完整地記錄在擴(kuò)展名為.log，文件名為‘Cogent-YYYY-MM-DD-HH-MM-SS.log' 的日志文檔中，其中“YYYY-MM-DD-HH-MM-SS”分別以實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的“年-月-日-小時(shí)-分鐘-秒”來命名。為了生成這兩個(gè)重要文件，需要在配置命令中添加針對(duì)結(jié)果文件和日志文件的配置語句。下面結(jié)合范例7，介紹具體代碼。該范例中，在文字刺激后，受試需按鍵盤錄入反應(yīng)。代碼實(shí)現(xiàn)的功能為呈現(xiàn)刺激，記錄不同試驗(yàn)(英文為trial，指實(shí)驗(yàn)中允許完成一次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)單元)中受試的按鍵，并計(jì)算反應(yīng)時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，日志文檔和結(jié)果文檔既可以直接在MATLAB中讀取，也可以通過Windows操作系統(tǒng)自帶的記事本打開，檢查結(jié)果十分方便。

config_display(0);%0表示在窗口而非全屏模式下顯示

config_data( 'sample7.dat' );

config_log; %配置日志文檔

config_results('sample7.res'); %配置結(jié)果文檔

config_keyboard; %配置鍵盤

start_cogent;

preparestring('+',2); %將注視點(diǎn)‘+’載入緩存2中央

for i=1:countdatarows

code=getdata(i,1); %在數(shù)據(jù)文件第i行第1列提取編碼信息存入變量code

word=getdata( ,2); %在數(shù)據(jù)文件第i行第2列提取文字刺激存入變量word

logstring(code); %將編碼信息寫入日志文檔

logstring(word); %將文字刺激寫入日志文檔

clearpict(1);

preparestring(word,1);

drawpict(2);

wait(1500);

drawpict(1);

t0=time; %記錄文字刺激呈現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)，并賦值給變量t0

logstring( t0 ); %將當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)信息寫入日志文檔

clearkeys; %清除所有鍵盤錄入信息

waituntil(t0+500); %文字刺激呈現(xiàn)后持續(xù)(等待)500毫秒

drawpict(3);

waituntil(t0+1000); %清屏，直到文字刺激呈現(xiàn)后1000毫秒

readkeys; %讀入所有鍵盤輸入信息

logkeys; %將鍵盤輸入信息寫入日志文檔。以下代碼的功能是檢查鍵盤錄入并計(jì)算反應(yīng)時(shí)

[key,t,n]=getkeydown; %getkeydown命令檢查鍵盤輸入并計(jì)算反應(yīng)時(shí)

if n==0 % if-else語句的起始條件，通過“==”做邏輯判別，表示“當(dāng)沒有鍵盤輸入時(shí)”

response=0; %鍵盤錄入信息沒有，記為0

rt=0; %反應(yīng)時(shí)間無法計(jì)算，記為0

elseif n==1 %嵌套if語句，意義為：當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)鍵盤輸入時(shí)

response=key(1); %鍵盤錄入信息記為key(1)的值

rt=t(1)-t0; %反應(yīng)時(shí)為鍵入反應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)與刺激呈現(xiàn)開始時(shí)間點(diǎn)之差

else %if-else語句的其他條件，即其余情況(如同時(shí)按下多個(gè))按鍵

response=0; %鍵盤錄入信息記為0

rt=0; %反應(yīng)時(shí)記為0

end %if-else語句結(jié)束

addresults(word, response, rt); %將文字刺激，按鍵信息，反應(yīng)時(shí)寫入結(jié)果文檔

end %for循環(huán)結(jié)束

stop_cogent;

四、結(jié)語

Cogent工具包具有免費(fèi)、精度高、編程上手容易、結(jié)果檢查便利等特點(diǎn),與其他實(shí)驗(yàn)軟件相比，Cogent在功能與操作上與商業(yè)軟件Presentation相當(dāng)[2]；與免費(fèi)軟件DMDX相比[6]，其功能更為全面，查看結(jié)果更容易。

但是，Cogent僅在Window2000操作系統(tǒng)，MATLAB 6.0和6.1環(huán)境下經(jīng)過完整的測(cè)試[4]。與早期的E-Prime相似[7]，Cogent不支持漢字顯示，呈現(xiàn)漢字時(shí)需將其轉(zhuǎn)換成為圖片格式。考慮到其諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于編程經(jīng)驗(yàn)不多的學(xué)生和研究人員來說，Cogent無疑是一個(gè)很好的選擇。

[1]宮大志,李壽欣.多種心理學(xué)實(shí)驗(yàn)生成工具的比較分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(10).

[2]馮成志,賈鳳琴.心理學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件Presentation的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(4).

[3]MATLAB[EB/OL].Natick,Massachusetts:The MathWorks Inc.,2012.

[4]Cooper, R, Yule, P. COGENT: An environment for the development of cognitive models[A].In Schmid,U.,Krems, J. F., & Wysotzki, F.(eds.) A Cognitive Science Approach to Reasoning, Learning and Discovery[C], Pabst Science Publishers,Lengerich,Germany.1997：55-82.

[5]Laboratory of Neurobiology[EB/OL].http://www.vislab.ucl.ac.uk/cogent.php,2012.

[6]更柳娜,張鵬.DMDX心理學(xué)教學(xué)平臺(tái)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育,2009,(121).

[7]陳慶榮,單艷紅,鄧鑄.E-Prime實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其在心理學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(12).

[責(zé)任編輯:趙天睿]

2015-11-20

教育部基金資助項(xiàng)目(12YJCZH262)

溫菲(1980-),女，黑龍江哈爾濱人，講師，主要從事神經(jīng)語言學(xué)、教學(xué)法研究;岳金星(1982-)，男，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士,主要從事言語的神經(jīng)基礎(chǔ)研究。

TP31

A

1008-7966(2016)01-0154-03