ERP入门基本知识

ERP入门基本知识陈安涛2004.6.4内容结构一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研究三、刺激呈现与数据处理四、波形的识别与结果解释一、ERP原理及提取技术活的人脑总会不断放电，称为脑电（EEG），但成分复杂而不规则。正常的自发脑电一般处于几微伏到75微伏之间。而由心理活动所引起的脑电比自发脑电更弱，一般只有2到10微伏，通常淹埋在自发电位中。所以ERP需要从EEG中提取。1.1开放电场脑电（EEG）是由于皮质大量神经组织的突触后电位同步总和而成，而单个神经元电活动非常微小，不能在头皮记录到，只有神经元群的同步放电才能记录到。这种脑组织神经元排列方向一致的情况，构成所谓的开放电场（openfield），反之则是方向不一致相互抵消的封闭电场（closedfield）。5开放电场与封闭电场图示因此，ERP只能反映某些脑部的激活情况，而有些脑部即使处于激活状态，但由于其神经元没有能够形成开放电场，ERP上也是反映不出来的。影响ERP信号记录的其它因素除神经元的排列方式外，记录点与神经元活动的距离也会影响ERP信号的采集。这样就区分出了近场源与远场源，初级体感诱发电位位于中央后回，是典型的近场源，而脑干听觉诱发电位是典型的远场源。离头皮越远则电位衰减越厉害，记录到的脑电波幅也很小。1.2ERP的两个重要特征事件相关脑电有两个重要特性：潜伏期恒定、波形恒定；与此相对，自发脑电则是随机变化的。所以，可以将同一事实多次引起的多段脑电记录下来，但每一段脑电都是各种成分的综合，包括自发脑电（噪音）。1.3叠加技术将由相同刺激引起的多段脑电进行多次叠加，由于自发脑电或噪音是随机变化，有高有低，相互叠加时就出现正负抵消的情况，而ERP信号则有两个恒定，所以不会被抵消，反而其波幅会不断增加，当叠加到一定次数时，ERP信号就显现出来了。10ERP分段叠加显示图1.4ERP是平均诱发电位叠加n次后的ERP波幅增大了n倍，因而需要再除以n，使ERP恢复原形，即还原为一次刺激的ERP数值。所以ERP也称为平均诱发电位，平均指的是叠加后的平均。这样就获得了所希望的事件相关电位波形图。因此，对于ERP研究来说，为了提取事件相关脑电位变化，传统上不得不进行多次重复刺激（次数记为n）。现在，可以通过计算机叠加技术轻松实现上述过程。1.5ERP信号的优势与缺点ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度可达到微秒级。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据，特别是反应时间（RT）很好地配合，以研究认知加工过程的规律。通过叠加技术获得的与事件发生进程有锁时（time-lock）关系的脑电就称为事件相关电位（ERP）。ERP的主要弱点在于低的空间分辨率，ERP在空间上只能达到厘米级，主要的影响因素是容积导体效应与封闭电场问题。另外，ERP只能采用数学推导来实现脑电的源定位，比如偶极子，这种方法的可靠性也是有限的。1.6头部定位系统ERP记录装置是一个电极帽，上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极，这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制定的10－20系统（Jesper,1958）确定的。每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况，掌握10－20系统是进行ERP学术交流的条件之一。10－20系统的原则是头皮电极点之间的相对距离以10%与20%来确定，并采用两条件标志线。一条称为矢状线，是从鼻根到枕外隆凸的连线，从前向后标出5个点：Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz，Fpz之前与Oz之后线段长度占全长10%，其余各点间距离均占全长的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际10—20脑电记录系统（四）导联方法矢状线冠状线另一条称为冠状线，是两外耳道之间的连线，从左到右也标出5个点：T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外侧各占10%，其余各点间距离均占全长20%。注意，Cz点是两条线的交汇点，常作为确定电极帽是否戴正的基准点。二、主要ERP成分及经典研究ERP的先驱研究者经过四十多年的积累，发现了一些经典的ERP成分，在发现这些成分时所使用的一些研究方法对于后来者有启发。其中与心理学研究密切相关的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。2.1CNVCNV（ContingentNegativeVariation）关联负变。实验中，告知被试，他将得到两个信号（声音或闪光等），他的任务是在第一个信号出现后开始准备反应，但并不反应，当出现第二个信号之后则要尽快做出反应；两个信号之间的时间并不固定。结果发现，在两个信号之间，被试的脑电出现了负向偏转（或负向变化，负变），这个脑电负向变化形成的类似高原的波形就是CNV，在被试完成按键反应后CNV就消失了。20叠加12次，Cz点。A:短声,B:闪光,C:短声+闪光。前三种情况都不出现CNV.第四种情况下，令被试在闪光出现时尽快按键，按键即将闪光终止，只有这时才出现CNV.这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在Nature（203，380－384）上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，一般只有几个，所以无法解决CNV的源定位问题。CNV被认为主要与心理因素有关。比如期待、意动、朝向反应、觉醒、注意、动机等，可以认为它基本上是一个综合的心理准备状态的反映，处于紧张或应急状态的反映。2.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年发现，发表在当年的Science（150，1187－1188）上。按照ERP的成分划分方法，根据潜伏期的差异，10ms内为早成分，10－50ms为中成分，50－500ms为晚成分，500ms以后则称为慢波。P300显然属于晚成分。23Sutton等首先报告P300（Science,1965）Oddball范式在发现P300时使用了一个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要点是，对同一感觉通道施加两种刺激，一种刺激出现概率很大，如85%，另一种刺激出现的概率很小，如15%。两种刺激以随机顺序出现，这样，对于被试来说，小概率刺激的出现具有偶然性，因为它很少才出现一次，感觉有点怪（Odd）。但实验任务却要求被试关注小概率刺激，只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。可见这里的靶刺激是小概率刺激。25Oddball范式示意图在这种条件下，实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波，称为P300，这个波在Pz点附近最高。研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关，其潜伏期随任务难度增加而变长。27P300与任务难度P300潜伏期随任务难度的增加而延长实线：具体人名虚线：人名性别断线：出现的词中挑出“刺”的反义词P300反映的认知过程，一种解释认为，P300代表知觉任务的结束，即对所期盼的靶刺激或目标刺激做出有意识加工时，相关顶叶或内侧颞叶部位受到激活，产生负电位，当加工结束时这些部位又受到抑制，于是出现了P300。而Donchin（1981）认为，P300的潜伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间，而P300波幅反映的是工作记忆中表征的更新。后一种观点得到支持更多，这意味着P300也许可成为研究高级认知过程，比如工作记忆的脑机制，特别是过程机制问题。另外，P300也普遍存在于哺乳动物中，如老鼠、猫、猴等，这说明P300可能代表着神经系统的某种基本活动。近年来精确脑定位手段，如fMRI，发现P300的脑内源不只一个，因而P300不是一个单纯的成分，与多种认知加工有关。现在，P300的概念发生了变化，许多潜伏期很不相同的波形也称为P300，这样就成了一个家族，称为晚正复合体（latepositivecomplex）。2.3MMNMMN（mismatchnegativity）译为失匹配负波，它的也是采用Oddball范式得到的。经典实验是这样的做的，在Oddball范式下，大概率刺激为1000Hz纯音，小概率刺激为800Hz纯音，分别在两只耳朵中出现，让被试进行双耳分听，只注意一只耳的声音，并对小概率刺激做出反应，不注意另一耳的声音。结果发现，无论注意与否，在约250ms内，小概率刺激均比大概率刺激引起更高的负波。以小概率刺激引起的ERP减去大概率刺激引起的ERP，会得到一个差异波，是一个存在100－250ms之间的明显的负波。31MMN图示32MMN与标准刺激/偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强MMN，标准刺激为80db，偏差刺激分别为57db,70db,77db。这一结果最早由Naatanen（1978）报告。随后的一系列研究表明，MMN反映的是人脑对刺激差异的无意识加工，即使在两种刺激都不加以注意的情况下也出现了MMN，这说明人脑有对刺激间差异进行无意识加工的能力，或者说人脑能够对不同刺激自动地做出不同的反应。2.4N400N400，是研究脑的语言加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这一篇报告发表在当年的Science（207，203－205）上。他们通过屏幕向被试呈现一些句子，句子的每个单词从前往后是逐个出现的，先出现的几个句子都是正常的符合语法和语境的。在呈现句子时同步记录每个单词呈现后引起的脑电变化。35实验设计前几个句子都是正常的，最后一个句子的最后一个单词是明显畸义的。实验观察到在这个畸义词出现之后400ms左右出现了一个新的负成分，这就是N400。语义畸异程度越大N400越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO…目前一般认为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。但进一步研究发现，与P300相似，N400也有许多子成分，分别与不同的认知过程相关，有彼此不同的脑内源。而且也发现N400不仅与语言加工有关，面孔、图画等非语言刺激也能诱发N400。三、刺激呈现与数据处理实验程序采用Eprime软件编制。基本实验流程包括实时（on-line）刺激呈现、头皮脑电放大、模数转换（数据采集）以及实验结束后离线式（off-line）数据分析。数据的离线处理的程序：合并脑电数据与行为数据、去除眼电、分段、滤波、基线调整、排除伪迹、删除坏电极、平均叠加、保存、总平均，共10个步骤。39E-Prime简介E-Prime是实现心理实验计算机化的一个可视化编程语言平台，是一个涵盖实验生成到毫秒精度的数据收集分析的应用软件套装。功能：实验设计、生成、运行、收集数据、编辑和预处理分析数据40Eprime的优点E-Prime能呈现的刺激可以是文本、图像和声音（可以同时呈现三者的任意组合）提供了详细的时间信息和事件细节（包括呈现时间、反应时间的细节），可供进一步分析，有助于了解实际实验运行的时间问题专门面向心理实验，并针对心理实验的时间精度作了优化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达毫秒相对于传统编程语言，E-Prime易学易用，实验生成快速41E-Studio-InterfaceE-Studio由四个部分组成:1.Toolbox2.StructureView3.PropertiesWindow4.Workspace42ERP实验流程3.1合并行为数据与脑电数据（mergetaskdata）首先要保证在数据记录时实验过程得到完整记录，即以时间进程为轴，使行为反应和脑电变化得到同步记录，实现锁时（locktime），这也是事件相关脑电的本质含义。如果行为数据与EEG数据不能同步匹配，则不能按行为操作进行平均与分析。正确合并两种数据之后，就可以根据不同标准对数据进行分类，比如，可以看看造成被试行为反应正确或错误的刺激引起的同步脑电变化是怎样的，就可根据正确或错误的反应进行分段，实现这种分析比较。3.2减少眼电伪迹（Ocularartifactreduction）眼电（EOG）是最常见的伪迹，对EEG影响很大，越往头皮前部越显著。减少眼电的方法一是删除，一是校正，由于删除EOG也会删掉其他各导有用的数据，因此多采用校正的