ER入門基本知識

ERP入門基本知識張明浩201204181內(nèi)容結(jié)構(gòu)一、ERP原理及提取技術(shù)二、主要ERP成分及經(jīng)典研究三、刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理四、波形的識別與結(jié)果解釋五、面部識別的ERP研究2一、ERP原理及提取技術(shù)ERP：eventrelatedpotentials狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤銷刺激時，在腦區(qū)所引起的電位變化?；畹娜四X總會不斷放電，稱為腦電（EEG），但成分復(fù)雜而不規(guī)則。正常的自發(fā)腦電一般處于幾微伏到75微伏之間。而由心理活動所引起的腦電比自發(fā)腦電更弱，一般只有2到10微伏，通常淹埋在自發(fā)電位中。所以ERP需要從EEG中提取。3EEG一般是由頭皮表面電極記錄得到的。它的諧波成分相當復(fù)雜，看上去是一種連續(xù)而不規(guī)則的電位波動。健康成年人在清醒狀態(tài)下，頭皮表面記錄的EEG為數(shù)微伏至75微伏左右，但在病理狀態(tài)下（如癲癇發(fā)作時）可達1毫伏以上。腦的心理活動所產(chǎn)生的腦電信號通常比自發(fā)電位小，它被淹埋在自發(fā)電位中而難以觀察。僅從EEG也很難獲得關(guān)于復(fù)雜認知的起始時間、持續(xù)時間、時間順序等信息。實際上，在自發(fā)電位水平上，并沒有觀察到腦的心理活動所產(chǎn)生的腦電信號本身。采用計算機疊加技術(shù)可將這種信號從自發(fā)電位中提取出來。這樣提取出來的信號就是ERP。它是刺激事件（包括物理刺激和心理因素）引起的腦電真實的實時波形，時間分辨率可精確至微秒級。由于ERP是刺激誘發(fā)產(chǎn)生的，故又稱誘發(fā)電位(evokedpotentials,簡稱EP)。41.1開放電場腦電（EEG）是由于皮質(zhì)大量神經(jīng)組織的突觸后電位同步總和而成，而單個神經(jīng)元電活動非常微小，不能在頭皮記錄到，只有神經(jīng)元群的同步放電才能記錄到。這種腦組織神經(jīng)元排列方向一致的情況，構(gòu)成所謂的開放電場（openfield），反之則是方向不一致相互抵消的封閉電場（closedfield）。5開放電場與封閉電場圖示6因此，ERP只能反映某些腦部的激活情況，而有些腦部即使處于激活狀態(tài)，但由于其神經(jīng)元沒有能夠形成開放電場，ERP上也是反映不出來的。7影響ERP信號記錄的其它因素除神經(jīng)元的排列方式外，記錄點與神經(jīng)元活動的距離也會影響ERP信號的采集。這樣就區(qū)分出了近場源與遠場源，初級體感誘發(fā)電位位于中央后回，是典型的近場源，而腦干聽覺誘發(fā)電位是典型的遠場源。離頭皮越遠則電位衰減越厲害，記錄到的腦電波幅也很小。81.2ERP的兩個重要特征

事件相關(guān)腦電有兩個重要特性：潛伏期恒定、波形恒定；與此相對，自發(fā)腦電則是隨機變化的。所以，可以將同一事件多次引起的多段腦電記錄下來，但每一段腦電都是各種成分的綜合，包括自發(fā)腦電（噪音）。91.3疊加技術(shù)

將由相同刺激引起的多段腦電進行多次疊加，由于自發(fā)腦電或噪音是隨機變化，有高有低，相互疊加時就出現(xiàn)正負抵消的情況，而ERP信號則有兩個恒定，所以不會被抵消，反而其波幅會不斷增加，當疊加到一定次數(shù)時，ERP信號就顯現(xiàn)出來了。10ERP分段段疊加加顯示示圖111.4ERP是平平均誘誘發(fā)電電位疊加n次后后的ERP波幅幅增大大了n倍，，因而而需要要再除除以n，使使ERP恢恢復(fù)原原形，，即還還原為為一次次刺激激的ERP數(shù)值值。所所以ERP也稱稱為平平均誘誘發(fā)電電位，，平均均指的的是疊疊加后后的平平均。。這樣樣就獲獲得了了所希希望的的事件件相關(guān)關(guān)電位位波形形圖。。因此，，對于于ERP研研究來來說，，為了了提取取事件件相關(guān)關(guān)腦電電位變變化，，傳統(tǒng)統(tǒng)上不不得不不進行行多次次重復(fù)復(fù)刺激激（次次數(shù)記記為n）?！，F(xiàn)在在，可可以通通過計計算機機疊加加技術(shù)術(shù)輕松松實現(xiàn)現(xiàn)上述述過程程。121.5ERP信號號的優(yōu)優(yōu)勢與與缺點點ERP是刺刺激事事件引引起的的實時時腦電電波，，在時時間精精度可可達到到微秒秒級。。極高高的時時間分分辨率率是ERP的主主要優(yōu)優(yōu)勢，，ERP也也可以以和行行為數(shù)數(shù)據(jù)，，特別別是反反應(yīng)時時間（（RT）很很好地地配合合，以以研究究認知知加工工過程程的規(guī)規(guī)律。。通過疊疊加技技術(shù)獲獲得的的與事事件發(fā)發(fā)生進進程有有鎖時時（time-lock）關(guān)關(guān)系的的腦電電就稱稱為事事件相相關(guān)電電位（（ERP））。13ERP的主主要弱弱點在在于低低的空空間分分辨率率，ERP在空空間上上只能能達到到厘米米級，，主要要的影影響因因素是是容積積導(dǎo)體體效應(yīng)應(yīng)與封封閉電電場問問題。。另外外，ERP只能能采用用數(shù)學學推導(dǎo)導(dǎo)來實實現(xiàn)腦腦電的的源定定位，，比如如偶極極子，，這種種方法法的可可靠性性也是是有限限的。。141.6頭部定定位系系統(tǒng)ERP記錄錄裝置置是一一個電電極帽帽，上上面有有多個個記錄錄或吸吸收頭頭皮放放電情情況的的電極極，這這些電電極在在帽子子上的的位置置是根根據(jù)國國際腦腦電圖圖學會會1958制定定的10－－20系統(tǒng)統(tǒng)（Jesper,1958））確定定的。。每一個個電極極記錄錄到的的腦電電變化化代表表的是是特定定位置置頭皮皮上的的放電電情況況，掌掌握10－－20系統(tǒng)統(tǒng)是進進行ERP學術(shù)術(shù)交流流的條條件之之一。。1510－－20系統(tǒng)統(tǒng)的原原則是是頭皮皮電極極點之之間的的相對對距離離以10%與20%來確確定，，并采采用兩兩條件件標志志線。。一條稱稱為矢矢狀線線，是是從鼻鼻根到到枕外外隆凸凸的連連線，，從前前向后后標出出5個個點：：Fpz、、Fz、Cz、、Pz、Oz，，F(xiàn)pz之之前與與Oz之后后線段段長度度占全全長10%，其其余各各點間間距離離均占占全長長的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2國際10—20腦電記錄錄系統(tǒng)（四）導(dǎo)聯(lián)方方法矢狀線冠狀線17另一條稱為冠冠狀線，是兩兩外耳道之間間的連線，從從左到右也標標出5個點：：T3、C3、Cz、C4、T4。。T3和T4外側(cè)各占10%，其余余各點間距離離均占全長20%。注意，Cz點點是兩條線的的交匯點，常常作為確定電電極帽是否戴戴正的基準點點。18二、主要ERP成分及經(jīng)典研研究ERP的先驅(qū)研究者者經(jīng)過四十多多年的積累，，發(fā)現(xiàn)了一些些經(jīng)典的ERP成分，在發(fā)現(xiàn)現(xiàn)這些成分時時所使用的一一些研究方法法對于后來者者有啟發(fā)。其中與心理學學研究密切相相關(guān)的成分主主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV（ContingentNegativeVariation）關(guān)聯(lián)負變。。實驗中，告告知被試，他他將得到兩個個信號（聲音音或閃光等）），他的任務(wù)務(wù)是在第一個個信號出現(xiàn)后后開始準備反反應(yīng)，但并不不反應(yīng)，當出出現(xiàn)第二個信信號之后則要要盡快做出反反應(yīng)；兩個信信號之間的時時間并不固定定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在在兩個信號之之間，被試的的腦電出現(xiàn)了了負向偏轉(zhuǎn)（（或負向變化化，負變），，這個腦電負負向變化形成成的類似高原原的波形就是是CNV，在被試完成成按鍵反應(yīng)后后CNV就消失了。20疊加12次，，Cz點。A:短聲,B:閃光,C:短聲聲+閃光。前三種情況都都不出現(xiàn)CNV.第四種情況下下，令被試在在閃光出現(xiàn)時時盡快按鍵，，按鍵即將閃閃光終止，只只有這時才出出現(xiàn)CNV.21這個結(jié)果是1964年由Walter等發(fā)現(xiàn)的，當當年發(fā)表在Nature（203，380－384）上。Walter等發(fā)現(xiàn)CNV在Cz點最大。但由由于早期的頭頭皮記錄點較較少，一般只只有幾個，所所以無法解決決CNV的源定位問題題。CNV被認為主要與與心理因素有有關(guān)。比如期期待、意動、、朝向反應(yīng)、、覺醒、注意意、動機等，，可以認為它它基本上是一一個綜合的心心理準備狀態(tài)態(tài)的反映，處處于緊張或應(yīng)應(yīng)急狀態(tài)的反反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年發(fā)現(xiàn)，發(fā)表表在當年的Science（150，1187－1188）上。按照ERP的成分劃分方方法，根據(jù)潛潛伏期的差異異，10ms內(nèi)為早成分，，10－50ms為中成分，50－500ms為晚成分，500ms以后則稱為慢慢波。P300顯然屬于晚成成分。23Sutton等首先報告告P300（（Science,1965）24Oddball范式在發(fā)現(xiàn)P300時使用了一個個稱為Oddball的經(jīng)典ERP實驗范式。Oddball實驗范式的要要點是，對同同一感覺通道道施加兩種刺刺激，一種刺刺激出現(xiàn)概率率很大，如85%，另一種刺激激出現(xiàn)的概率率很小，如15%。兩種刺激以隨隨機順序出現(xiàn)現(xiàn)，這樣，對對于被試來說說，小概率刺刺激的出現(xiàn)具具有偶然性，，因為它很少少才出現(xiàn)一次次，感覺有點點怪（Odd）。但實驗任任務(wù)卻要求被被試關(guān)注小概概率刺激，只只要小概率刺刺激一出現(xiàn)就就盡快做出反反應(yīng)?？梢娺@這里的靶刺激激是小概率刺刺激。25Oddball范式示意意圖26在這種條件下下，實驗記錄錄到在小概率率刺激出現(xiàn)之之后300ms時觀察到一個個正波，稱為為P300，這個波在Pz點附近最高。。研究發(fā)現(xiàn)P300的波幅與所投投入的心理資資源量成正相相關(guān)，其潛伏伏期隨任務(wù)難難度增加而變變長。27P300與任任務(wù)難度P300潛伏伏期隨任務(wù)難難度的增加而而延長實線：具體人人名虛線：人名性性別斷線：出現(xiàn)的的詞中挑出““刺”的反義義詞28P300反映的認知過過程，一種解解釋認為，P300代表知覺任務(wù)務(wù)的結(jié)束，即即對所期盼的的靶刺激或目目標刺激做出出有意識加工工時，相關(guān)頂頂葉或內(nèi)側(cè)顳顳葉部位受到到激活，產(chǎn)生生負電位，當當加工結(jié)束時時這些部位又又受到抑制，，于是出現(xiàn)了了P300。而Donchin（1981）認為，P300的潛伏期反映映的是對刺激激物的評價或或分類所需的的時間，而P300波幅反映的是是工作記憶中中表征的更新新。后一種觀觀點得到支持持更多，這意意味著P300也許可成為研研究高級認知知過程，比如如工作記憶的的腦機制，特特別是過程機機制問題。29另外，P300也普遍存在于于哺乳動物中中，如老鼠、、貓、猴等，，這說明P300可能代表著神神經(jīng)系統(tǒng)的某某種基本活動動。近年來精確腦腦定位手段，，如fMRI，發(fā)現(xiàn)P300的腦內(nèi)源不只只一個，因而而P300不是一個單純純的成分，與與多種認知加加工有關(guān)?，F(xiàn)現(xiàn)在，P300的概念發(fā)生了了變化，許多多潛伏期很不不相同的波形形也稱為P300，這樣就成了了一個家族，，稱為晚正復(fù)復(fù)合體（latepositivecomplex）。302.3MMNMMN（mismatchnegativity）譯為失匹配配負波，它的的也是采用Oddball范式得到的。。經(jīng)典實驗是是這樣的做的的，在Oddball范式下，大概概率刺激為1000Hz純音，小概率率刺激為800Hz純音，分別在在兩只耳朵中中出現(xiàn)，讓被被試進行雙耳耳分聽，只注注意一只耳的的聲音，并對對小概率刺激激做出反應(yīng)，，不注意另一一耳的聲音。。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無無論注意與否否，在約250ms內(nèi)，小概率刺刺激均比大概概率刺激引起起更高的負波波。以小概率率刺激引起的的ERP減去大概率刺刺激引起的ERP，會得到一個個差異波，是是一個存在100－250ms之間的明顯的的負波。31MMN圖示32MMN與標準準刺激/偏差差刺激差異的的關(guān)系：隨偏偏差增大而增增大。聲強MMN，標準準刺激為80db，偏差差刺激分別為為57db,70db,77db。33這一結(jié)果最早早由Naatanen（1978）報告。隨后后的一系列研研究表明，MMN反映的是人腦腦對刺激差異異的無意識加加工，即使在在兩種刺激都都不加以注意意的情況下也也出現(xiàn)了MMN，這說明人腦腦有對刺激間間差異進行無無意識加工的的能力，或者者說人腦能夠夠?qū)Σ煌碳ぜぷ詣拥刈龀龀霾煌姆磻?yīng)應(yīng)。342.4N400N400，是研究腦的的語言加工原原理的常用ERP成分，最早由由Kutas于1980年報告，這一一篇報告發(fā)表表在當年的Science（207，203－205）上。他們通通過屏幕向被被試呈現(xiàn)一些些句子，句子子的每個單詞詞從前往后是是逐個出現(xiàn)的的，先出現(xiàn)的的幾個句子都都是正常的符符合語法和語語境的。在呈呈現(xiàn)句子時同同步記錄每個個單詞呈現(xiàn)后后引起的腦電電變化。35實驗設(shè)計前幾幾個句子都是是正常的，最最后一個句子子的最后一個個單詞是明顯顯畸義的。實實驗觀察到在在這個畸義詞詞出現(xiàn)之后400ms左右出現(xiàn)了一一個新的負成成分，這就是是N400。36語義畸異異程度越越大N400越越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO……37目前一般般認為N400與長時記記憶的語語義信息息的提取取有關(guān)。。但進一一步研究究發(fā)現(xiàn)，，與P300相似，N400也有許多多子成分分，分別別與不同同的認知知過程相相關(guān)，有有彼此不不同的腦腦內(nèi)源。。而且也也發(fā)現(xiàn)N400不僅與語語言加工工有關(guān)，，面孔、、圖畫等等非語言言刺激也也能誘發(fā)發(fā)N400。38三、刺激激呈現(xiàn)與與數(shù)據(jù)處處理實驗程序序采用Eprime軟件編制制?；緦嶒烌灹鞒贪▽崟r時（on-line）刺激呈呈現(xiàn)、頭頭皮腦電電放大、、模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換（數(shù)數(shù)據(jù)采集集）以及及實驗結(jié)結(jié)束后離離線式（（off-line）數(shù)據(jù)分分析。數(shù)據(jù)的離離線處理理的程序序：合并并腦電數(shù)數(shù)據(jù)與行行為數(shù)據(jù)據(jù)、去除除眼電、、分段、、濾波、、基線調(diào)調(diào)整、排排除偽跡跡、刪除除壞電極極、平均均疊加、、保存、、總平均均，共10個步步驟。39四、波形形的識別別與測量量得到一系系列波形形后，要要從中識識別不同同成分以以及成分分所代表表的心理理意義是是ERP研究的技技術(shù)難點點。一般般通過峰峰潛伏期期、波形形及其頭頭皮分布布，參照照總平均均圖與相相關(guān)研究究文獻進進行判斷斷，而豐豐富的經(jīng)經(jīng)驗也很很重要。。波幅測量量有基線線－波峰峰和波峰峰－波峰峰兩種，，潛伏期期常以刺刺激起始始點到波波峰頂點點之間的的時間段段代表。。一般認認為，波波幅反映映大腦的的興奮性性高低，，而潛伏伏期則是是神經(jīng)活活動與加加工過程程的速度度與評價價的時間間。40-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潛伏期基線———峰峰——峰峰414.1定定性分分析將不同事事件（條條件）引引起的腦腦電波形形加以比比較，重重點比較較的內(nèi)容容包括：：潛伏期期、始潛潛時和波波幅等指指標，兩兩種條件件造成的的波形在在頭皮上上的分布布情況，，以及定定位分析析。然后進行行源定位位分析，，包括腦腦地形圖圖、偶極極子定位位等。42①設(shè)設(shè)置條件件1與條條件2，，分別產(chǎn)產(chǎn)生A峰峰B峰。。②測測量并比比較峰A與峰B的潛伏伏期、始始潛時、、波幅等等指標。。③比比較條件件1與條條件2的的波形在在頭皮的的分布。。定性分析析43相減技術(shù)術(shù)相減技術(shù)術(shù)的運用用，對于于提取更更為純粹粹的、與與心理機制制相關(guān)的的ERP成分具具有重要要意義。。444.2腦腦電地地形圖是將腦電電信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成一一種既能能定量也也能定性性的腦波波圖形，，可以將將大腦在在某一時時間點上上的功能能變化與與形態(tài)定定位有機機地結(jié)合合起來（（將功能能狀態(tài)與與激活狀狀態(tài)結(jié)合合起來））。地形形圖中相相同顏色色的區(qū)域域代表激激活程度度相同（（電壓相相等）。。要繪出出腦地形形圖至少少需要12導(dǎo)記錄電電極，理理論上越越多越好好。腦電地形形圖可以以看作大大腦各部部位的激激活在頭頭皮上的的表現(xiàn)。。地形圖圖可分為為二維（（平面））地形圖圖、三維維（立體體）地形形圖和實實際頭形形地形圖圖。45根據(jù)圖形形的色彩彩或形式式，可將將地形圖圖分為：：彩色地地形圖、、灰度地地形圖、、等高線線地形圖圖464.3偶偶極子子定位偶極子（（dipole）是由多多對數(shù)值值相等、、符號相相反的電電荷，彼彼此相隔隔一定距距離時形形成的體體系。偶偶極子被被認為是是ERP的腦內(nèi)源源。在神經(jīng)沖沖動的傳傳導(dǎo)過程程中，在在兩個神神經(jīng)元之之間的突突觸處形形成負離離子占優(yōu)優(yōu)，在下下一個神神經(jīng)元的的頂樹突