ERP入門基本知識

ERP入門根本知識張明浩202104181內(nèi)容構(gòu)造一、ERP原理及提取技術(shù)二、主要ERP成分及經(jīng)典研討三、刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)處置四、波形的識別與結(jié)果解釋五、面部識別的ERP研討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，作用于覺得系統(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)那么。正常的自發(fā)腦電普通處于幾微伏到75微伏之間。而由心思活動所引起的腦電比自發(fā)腦電更弱，普通只需2到10微伏，通常淹埋在自發(fā)電位中。所以ERP需求從EEG中提取。3EEG普通是由頭皮外表電極記錄得到的。它的諧波成分相當復(fù)雜，看上去是一種延續(xù)而不規(guī)那么的電位動搖。安康成年人在清醒形狀下，頭皮外表記錄的EEG為數(shù)微伏至75微伏左右，但在病理形狀下〔如癲癇發(fā)作時〕可達1毫伏以上。腦的心思活動所產(chǎn)生的腦電信號通常比自發(fā)電位小，它被淹埋在自發(fā)電位中而難以察看。僅從EEG也很難獲得關(guān)于復(fù)雜認知的起始時間、繼續(xù)時間、時間順序等信息。實踐上，在自發(fā)電位程度上，并沒有察看到腦的心思活動所產(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〔包括物理刺激和心思要素〕引起的腦電真實的實時波形，時間分辨率可準確至微秒級。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，只需神經(jīng)元群的同步放電才干記錄到。這種腦組織神經(jīng)元陳列方向一致的情況，構(gòu)成所謂的開放電場〔openfield〕，反之那么是方向不一致相互抵消的封鎖電場〔closedfield〕。5開放電場與封鎖電場圖示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形狀，但由于其神經(jīng)元沒有可以構(gòu)成開放電場，ERP上也是反映不出來的。7影響ERP信號記錄的其它要素除神經(jīng)元的陳列方式外，記錄點與神經(jīng)元活動的間隔也會影響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。離頭皮越遠那么電位衰減越厲害，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：埋伏期恒定、波形恒定；與此相對，自發(fā)腦電那么是隨機變化的。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)將由一樣刺激引起的多段腦電進展多次疊加，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信號那么有兩個恒定，所以不會被抵消，反而其波幅會不斷添加，當疊加到一定次數(shù)時，ERP信號就顯現(xiàn)出來了。10ERP分段疊加顯示圖111.4ERP是平均誘發(fā)電位疊加n次后的ERP波幅增大了n倍，因此需求再除以n，使ERP恢復(fù)原形，即復(fù)原為一次刺激的ERP數(shù)值。所以ERP也稱為平均誘發(fā)電位，平均指的是疊加后的平均。這樣就獲得了所希望的事件相關(guān)電位波形圖。因此，對于ERP研討來說，為了提取事件相關(guān)腦電位變化，傳統(tǒng)上不得不進展多次反復(fù)刺激〔次數(shù)記為n〕。如今，可以經(jīng)過計算機疊加技術(shù)輕松實現(xiàn)上述過程。121.5ERP信號的優(yōu)勢與缺陷ERP是刺激事件引起的實時腦電波，在時間精度可到達微秒級。極高的時間分辨率是ERP的主要優(yōu)勢，ERP也可以和行為數(shù)據(jù)，特別是反響時間〔RT〕很好地配合，以研討認知加工過程的規(guī)律。經(jīng)過疊加技術(shù)獲得的與事件發(fā)生進程有鎖時〔time-lock〕關(guān)系的腦電就稱為事件相關(guān)電位〔ERP〕。13ERP的主要弱點在于低的空間分辨率，ERP在空間上只能到達厘米級，主要的影響要素是容積導(dǎo)體效應(yīng)與封鎖電場問題。另外，ERP只能采用數(shù)學推導(dǎo)來實現(xiàn)腦電的源定位，比如偶極子，這種方法的可靠性也是有限的。141.6頭部定位系統(tǒng)ERP記錄安裝是一個電極帽，上面有多個記錄或吸收頭皮放電情況的電極，這些電極在帽子上的位置是根據(jù)國際腦電圖學會1958制定的10－20系統(tǒng)〔Jesper,1958〕確定的。每一個電極記錄到的腦電變化代表的是特定位置頭皮上的放電情況，掌握10－20系統(tǒng)是進展ERP學術(shù)交流的條件之一。1510－20系統(tǒng)的原那么是頭皮電極點之間的相對間隔以10%與20%來確定，并采用兩條件標志線。一條稱為矢狀線，是從鼻根到枕外隆凸的連線，從前向后標出5個點：Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz，F(xiàn)pz之前與Oz之后線段長度占全長10%，其他各點間間隔均占全長的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2國際10—20腦電記錄系統(tǒng)〔四〕導(dǎo)聯(lián)方法矢狀線冠狀線17另一條稱為冠狀線，是兩外耳道之間的連線，從左到右也標出5個點：T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外側(cè)各占10%，其他各點間間隔均占全長20%。留意，Cz點是兩條線的交匯點，常作為確定電極帽能否戴正的基準點。18二、主要ERP成分及經(jīng)典研討ERP的先驅(qū)研討者經(jīng)過四十多年的積累，發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)典的ERP成分，在發(fā)現(xiàn)這些成分時所運用的一些研討方法對于后來者有啟發(fā)。其中與心思學研討親密相關(guān)的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV〔ContingentNegativeVariation〕關(guān)聯(lián)負變。實驗中，告知被試，他將得到兩個信號〔聲音或閃光等〕，他的義務(wù)是在第一個信號出現(xiàn)后開場預(yù)備反響，但并不反響，當出現(xiàn)第二個信號之后那么要盡快做出反響；兩個信號之間的時間并不固定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩個信號之間，被試的腦電出現(xiàn)了負向偏轉(zhuǎn)〔或負向變化，負變〕，這個腦電負向變化構(gòu)成的類似高原的波形就是CNV，在被試完成按鍵反響后CNV就消逝了。20疊加12次，Cz點。A:短聲,B:閃光,C:短聲+閃光。前三種情況都不出現(xiàn)CNV.第四種情況下，令被試在閃光出現(xiàn)時盡快按鍵，按鍵即將閃光終止，只需這時才出現(xiàn)CNV.21這個結(jié)果是1964年由Walter等發(fā)現(xiàn)的，當年發(fā)表在Nature〔203，380－384〕上。Walter等發(fā)現(xiàn)CNV在Cz點最大。但由于早期的頭皮記錄點較少，普通只需幾個，所以無法處理CNV的源定位問題。CNV被以為主要與心思要素有關(guān)。比如等待、意動、朝向反響、覺悟、留意、動機等，可以以為它根本上是一個綜合的心思預(yù)備形狀的反映，處于緊張或應(yīng)急形狀的反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在當年的Science〔150，1187－1188〕上。按照ERP的成分劃分方法，根據(jù)埋伏期的差別，10ms內(nèi)為早成分，10－50ms為中成分，50－500ms為晚成分，500ms以后那么稱為慢波。P300顯然屬于晚成分。23Sutton等首先報告P300〔Science,1965〕24Oddball范式在發(fā)現(xiàn)P300時運用了一個稱為Oddball的經(jīng)典ERP實驗范式。Oddball實驗范式的要點是，對同一覺得通道施加兩種刺激，一種刺激出現(xiàn)概率很大，如85%，另一種刺激出現(xiàn)的概率很小，如15%。兩種刺激以隨機順序出現(xiàn)，這樣，對于被試來說，小概率刺激的出現(xiàn)具有偶爾性，由于它很少才出現(xiàn)一次，覺得有點怪〔Odd〕。但實驗義務(wù)卻要求被試關(guān)注小概率刺激，只需小概率刺激一出現(xiàn)就盡快做出反響。可見這里的靶刺激是小概率刺激。25Oddball范式表示圖26在這種條件下，實驗記錄到在小概率刺激出現(xiàn)之后300ms時察看到一個正波，稱為P300，這個波在Pz點附近最高。研討發(fā)現(xiàn)P300的波幅與所投入的心思資源量成正相關(guān)，其埋伏期隨義務(wù)難度添加而變長。27P300與義務(wù)難度P300埋伏期隨義務(wù)難度的添加而延伸實線：詳細人名虛線：人名性別斷線：出現(xiàn)的詞中挑出“刺〞的反義詞28P300反映的認知過程，一種解釋以為，P300代表知覺義務(wù)的終了，即對所期盼的靶刺激或目的刺激做出有認識加工時，相關(guān)頂葉或內(nèi)側(cè)顳葉部位遭到激活，產(chǎn)生負電位，當加工終了時這些部位又遭到抑制，于是出現(xiàn)了P300。而Donchin〔1981〕以為，P300的埋伏期反映的是對刺激物的評價或分類所需的時間，而P300波幅反映的是任務(wù)記憶中表征的更新。后一種觀念得到支持更多，這意味著P300也答應(yīng)成為研討高級認知過程，比如任務(wù)記憶的腦機制，特別是過程機制問題。29另外，P300也普遍存在于哺乳動物中，如老鼠、貓、猴等，這闡明P300能夠代表著神經(jīng)系統(tǒng)的某種根本活動。近年來準確腦定位手段，如fMRI，發(fā)現(xiàn)P300的腦內(nèi)源不只一個，因此P300不是一個單純的成分，與多種認知加工有關(guān)。如今，P300的概念發(fā)生了變化，許多埋伏期很不一樣的波形也稱為P300，這樣就成了一個家族，稱為晚正復(fù)合體〔latepositivecomplex〕。302.3MMNMMN〔mismatchnegativity〕譯為失匹配負波，它的也是采用Oddball范式得到的。經(jīng)典實驗是這樣的做的，在Oddball范式下，大約率刺激為1000Hz純音，小概率刺激為800Hz純音，分別在兩只耳朵中出現(xiàn)，讓被試進展雙耳分聽，只留意一只耳的聲音，并對小概率刺激做出反響，不留意另一耳的聲音。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論留意與否，在約250ms內(nèi)，小概率刺激均比大約率刺激引起更高的負波。以小概率刺激引起的ERP減去大約率刺激引起的ERP，會得到一個差別波，是一個存在100－250ms之間的明顯的負波。31MMN圖示32MMN與規(guī)范刺激/偏向刺激差別的關(guān)系：隨偏向增大而增大。聲強MMN，規(guī)范刺激為80db，偏向刺激分別為57db,70db,77db。33這一結(jié)果最早由Naatanen〔1978〕報告。隨后的一系列研討闡明，MMN反映的是人腦對刺激差別的無認識加工，即使在兩種刺激都不加以留意的情況下也出現(xiàn)了MMN，這闡明人腦有對刺激間差別進展無認識加工的才干，或者說人腦可以對不同刺激自動地做出不同的反響。342.4N400N400，是研討腦的言語加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年報告，這一篇報揭露表在當年的Science〔207，203－205〕上。他們經(jīng)過屏幕向被試呈現(xiàn)一些句子，句子的每個單詞從前往后是逐個出現(xiàn)的，先出現(xiàn)的幾個句子都是正常的符合語法和語境的。在呈現(xiàn)句子時同步記錄每個單詞呈現(xiàn)后引起的腦電變化。35實驗設(shè)計前幾個句子都是正常的，最后一個句子的最后一個單詞是明顯畸義的。實驗察看到在這個畸義詞出現(xiàn)之后400ms左右出現(xiàn)了一個新的負成分，這就是N400。36語義畸異程度越大N400越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO…37目前普通以為N400與長時記憶的語義信息的提取有關(guān)。但進一步研討發(fā)現(xiàn)，與P300類似，N400也有許多子成分，分別與不同的認知過程相關(guān)，有彼此不同的腦內(nèi)源。而且也發(fā)現(xiàn)N400不僅與言語加工有關(guān)，面孔、圖畫等非言語刺激也能誘發(fā)N400。38三、刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)處置實驗程序采用Eprime軟件編制。根本實驗流程包括實時〔on-line〕刺激呈現(xiàn)、頭皮腦電放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換〔數(shù)據(jù)采集〕以及實驗終了后離線式〔off-line〕數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)的離線處置的程序：合并腦電數(shù)據(jù)與行為數(shù)據(jù)、去除眼電、分段、濾波、基線調(diào)整、排除偽跡、刪除壞電極、平均疊加、保管、總平均，共10個步驟。39四、波形的識別與丈量得到一系列波形后，要從中識別不同成分以及成分所代表的心思意義是ERP研討的技術(shù)難點。普統(tǒng)統(tǒng)過峰埋伏期、波形及其頭皮分布，參照總平均圖與相關(guān)研討文獻進展判別，而豐富的閱歷也很重要。波幅丈量有基線－波峰和波峰－波峰兩種，埋伏期常以刺激起始點到波峰頂點之間的時間段代表。普通以為，波幅反映大腦的興奮性高低，而埋伏期那么是神經(jīng)活動與加工過程的速度與評價的時間。40-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0埋伏期基線——峰峰——峰414.1定性分析將不同事件〔條件〕引起的腦電波形加以比較，重點比較的內(nèi)容包括：埋伏期、始潛時和波幅等目的，兩種條件呵斥的波形在頭皮上的分布情況，以及定位分析。然后進展源定位分析，包括腦地形圖、偶極子定位等。42①設(shè)置條件1與條件2，分別產(chǎn)生A峰B峰。②丈量并比較峰A與峰B的埋伏期、始潛時、波幅等目的。③比較條件1與條件2的波形在頭皮的分布。定性分析43相減技術(shù)相減技術(shù)的運用，對于提取更為純粹的、與心思機制相關(guān)的ERP成分具有重要意義。444.2腦電地形圖是將腦電信號轉(zhuǎn)換成一種既能定量也能定性的腦波圖形，可以將大腦在某一時間點上的功能變化與形狀定位有機地結(jié)合起來〔將功能形狀與激活形狀結(jié)合起來〕。地形圖中一樣顏色的區(qū)域代表激活程度一樣〔電壓相等〕。要繪出腦地形圖至少需求12導(dǎo)記錄電極，實際上越多越好。腦電地形圖可以看作大腦各部位的激活在頭皮上的表現(xiàn)。地形圖可分為二維〔平面〕地形圖、三維〔立體〕地形圖和實踐頭形地形圖。45根據(jù)圖形的顏色或方式，可將地形圖分為：彩色地形圖、灰度地形圖、等高線地形圖464.3偶極子定位偶極子〔dipole〕是由多對數(shù)值相等、符號相反的電荷，彼此相隔一定間隔時構(gòu)成的體系。偶極子被以為是ERP的腦內(nèi)源。在神經(jīng)激動的傳導(dǎo)過程中，在兩個神經(jīng)元之間的突觸處構(gòu)成負離子占優(yōu)，在下一個