ERP基本原理及其在认知神经科学中的应用

ERP的基本原理及其在认知神经科学中的应用TheBasicPrinciplesandApplicationinNeurosciencesofERP魏景汉[e-mail]中国科学院心理研究所InstituteofPsychology,AcademiaSinica一、ERP的基本原理EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身，ERP是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观察不到，需提取。1、名词来源原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对“自发电位”而言。Evoked（Brain）Potentials=EP由于认知EP不仅外界刺激感觉所致，尚来自主动的自上而下的心理因素，故改为“事件相关（脑）电位”（1969，HerbVauhan）。Event-Related（Brain）Potentials=ERPs平均诱发电位。强调经过计算机平均。AverageEvokedPotentials（1）诱发电位（EP）的广义定义：凡是外加一种特定的刺激作用于机体，在给予刺激或撤消刺激时，在神经系统任何部位引起的电位变化。（2）诱发电位（EP）的狭义定义：凡是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区所引起的电位变化。（3）事件相关电位（ERP）的定义：当外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，或/和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。•需要注意撤反应。2、ERP的定义3、特性：（1）淹没，约2微伏~10微伏。（2）两个恒定：潜伏期、波形。4、简史：1935-1936PaulineandHallowellDavis首先在清醒人记录到感觉ERP。1939Davis等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，EEG平静时记录。1947Dawson首次报道用照相叠加技术记录人体EP。1951Dawson首次发明机械驱动-电子存储式EP叠加与平均方法（张明岛等，1995），开创了神经电生理学的新时代。1962GalambosandSheatz首次发表计算机平均叠加ERP论文。1964GreyWalter等发表第一个认知ERP成分（CNV），标志着ERP研究新时代的开始。5、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理计算机不设置负值，只有正值，波的低谷也为正值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。信噪比的提高值与叠加次数:。例：原信号2微伏/噪音10微伏=0.2，叠加100次后（2微伏×100）/（10微伏×）=200微伏/100微伏=2//SNnnn1006、A/D转换速度（采样速度）―ERP的时间分辨率ERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动的测量，而不是像PET、fMRI、光成像那样只是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已可达到微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40μs。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率≤0.5ms。总采样频率=（频率/导）*导数。减少导数则时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点数应等于或大于128点。7、ERP的研究分类（1）按感觉通路：AEP、VEP、SEP（2）按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。a（3）命名法：正P负N潜伏期。如P300,N400,N170。（4）向上为负。（5）成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。8、ERP的优势:（1）无创性、时间分辨率高—便于与RT配合进行认知过程研究、空间分辨率128导约为3mm，达到了现代水平。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。（2）认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。（3）设备相对简单，对环境的要求不高。9、妨碍ERP提高空间分辨率的原因：（1）颅骨不匀且有个体差异（2）容积导体效应（3）电场封闭（主要来自锥体细胞层，失真：该层ERP大，其他层小）1966:1771967-68:15011969-70:19711971-72:20631973-74:22161975-76:25381977-78:26241979-80:34451981-82:42081983-84:44161985-86:45381987-88:46101989-90:48041991-92:54791993-94:53861995-96:54611997-98:58881999-00:62052001-02:62992003-04:699610、ERP的发展趋势二、ERP在认知神经科学中的应用1、ERP的学术位置•属于心理生理学（psychophysiology）范畴。•心理生理学以心理因素为自变量，以生理指标为应变量，一般以人为被试。•生理心理学（physiologicalpsychology）以生理变化为自变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试。•心理生理学是从生理心理学中分离出来的。同属认知神经科学。•认知神经科学是在近十余年才兴起的一门交叉学科，是脑科学界颇受关注的领域，是心理学的新时代，ERP是其中的重要组成部分。个性心理特征心理学情绪意志心理过程认知心理学心理语言学认知科学人工智能人工神经网络神经脑科学生理学……….……….认知神经科学的学科位置二、认知神经科学方法之比较三、作用举例（一）关于注意选择性发生时程的ERP证据1、两耳纯音各一不同。快速（约6次/秒）随机呈现。2、两项实验，每项只记一只耳的纯音数。3、图1、2的早成分不受注意影响。4、图3、4的中成分（涂黑）受注意影响。5、图5为差异波P20-50（涂黑），相当早。6、ERP与MEG（脑磁图）联合记录结果发现P25-50发生在听皮质，很可能在初级听皮质。7、结论：注意选择性发生在听觉加工的早期阶段。1、实验方法实验采用的刺激呈现模式可图示如下,其中数字单位为ms:纯音---提示字---目标字---被试述词---下次纯音...220121020013002004400头皮记录Fz、Cz、Pz、左脑P3-T5及右脑P4-T6共五点之ERP.每名被试皆接受二项实验.（1）具体字联想实验。主要目的：突出目标字义的加工，减弱形音加工。·纯音预告汉字即将出现,引起注意.·提示字皆认识字,要识记其发音与字形.·目标字与提示字音同形似,如,提示字“丁”,目标字“钉”;“防”—房.·目标字分为认识与不认识.·对认识的目标字要根据其义联想出另一个字,组成双字词并口头报告.·对不认识的字根据提示字音、形尽量猜测其义,仍不认识,述不认识.（二）语言加工的脑机制—半视野汉字研究（Wei,etal.,NeuroReport,2001）（2）非提示对照实验:“提示”字为无关字,即与目标字形音义皆异,目标字联想前缺少音与形的予加工,余同具体字联想实验.2、主要实验结果与讨论:（1）汉字认知的起始时程具体字联想实验图为左视野ERP•横排5个记录点•左半球P3-T5，左视野为同侧，右半球P4-T6，左视野为对侧•红线为目标字认识时的ERP,绿线为目标字不认识时的ERP•在每帧图中,纯音、提示字和目标字各引起一组ERP。左视野左半球（同侧）右半球（对侧）·在生理上,半视野刺激应首先投射于对侧脑,然后传导到同侧脑.·P1潜伏期(约100ms)附合这一规律:对侧投射比同侧传导出现得早.·N1潜伏期(约160ms)已不附合这一规律:对侧投射与同侧传导基本同时出现.·提示字引起的N1仍为对侧投射早于同侧传导.·目标字与提示字的区别主要在于突出了词义加工.·所以N1受到了目标字词义加工的调节.它始于100ms至160ms之间，亦即汉字认知的起始时程约为100ms至160ms.左右视野目标字在左右半球（对侧、同侧）引起的P1与N1（2）左右脑在汉字加工中的关系：•左脑N1迟于右脑出现，左脑N1波幅大于右脑。•所以有理由假设，左脑可能需等待右脑传来必要的信息后才开始加工，但其加工一旦开始就在一定时期内占优势。这就是说，在起始时间与加工强度两个维度上两个半球各占优势。汉字加工中的“优势半球”概念已难以概括上述二维差异，需要修正。左视野，不认识–认识（3）汉字认识否引起的ERP差异：·不认识的目标字的PSW波幅大于认识的目标字PSW,前者的潜伏期也显著长于后者.·不认识的目标字ERP–认识的目标字ERP=P800.·该差值只与汉字认识与否及联想/猜想相关,物理因素皆被减掉;为纯心理性成分.·二项实验全部记录点均于目标字后约800ms出现了一个相似的正成分,说明是一种规律.·在此实验条件下可作为判断被试是否认识所用汉字的客观标志.在此将该差异成分标记为P800.2019/12/13意识的脑机制24（4）形音加工ERP成分的获得，形音加工的反复性·对照组认识的目标字需形音义全面加工.·具体组认识的目标字主要进行义的加工.·对照组-具体组=形音加工成分.·结果：160ms正成分,450ms负成分,800ms另一个正成分.·所以形音加工不是一次完成的，而是存在着反复.2019/12/13意识的脑机制25（5）形音义的加工顺序，形音义加工的反复、交错与重叠：·由（1）已知，在100ms至160ms左右已开始了词义加工.·由（3）已知，800ms后仍在进行词义加工.·由（4）已知，形音加工在160ms、450ms和800ms附近也均有表现.·由（1）、（3）可知，义在100～160ms后又在800ms出现加工，可见义存在加工与再加工的反复过程·由（1）、（4）可知，在160ms形音义三者加工近似重叠·由（3）、（4）可知，在800ms形音义三者加工近似重叠·所以，形音义在认知中均存在加工与再加工的反复过程,形音义三者的加工是交错进行的，并发生重叠。2019/12/13意识的脑机制263、主要结论：（1）在本实验条件下，汉字认知始于约100ms至160ms之间。（2）有理由假设，左脑可能需等待右脑传来必要的信息后才开始加工，但其加工一旦开始就在一定时期内占优势。这就是说，在起始时间与加工强度两个维度上两个半球各占优势。汉字加工中的“优势半球”概念已难以概括上述二维差异，需要修正。（3）汉字形音义的加工关系错综复杂，存在着反复、交错与重叠，难以用语义通达是否通过语音来概括。（4）在本实验条件下，P800有可能成为鉴别被试是否认识汉字的指标。