ERP讲座

事件相关电位(ERPs)在心理学中的应用原理魏景汉（中国科学院心理研究所）目录一、自发电位EEG与事件相关电位ERP二、ERP的基本概念（一）名词来源。（二）ERP的定义。三、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理四、ERP数据提取过程五、导联方法：（一）国际10-20系统。（二）单极导联与双极导联。（三）参考电极问题。六、ERP的研究分类（一）按感觉通路：AEP、VEP、SEP。（二）按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。（三）命名法：正P负N潜伏期。如P300,N400,N170。（四）向上为负。（五）成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。七、几个常见问题（一）多重比较。（二）球形调整。（三）条件间ERP分布差异检验的数据归一化。（四）以反应为原点叠加。（五）同一成分波峰测量法。八、ERP的成分举例（一）运动预备电位。（二）CNV。（三）P300。（四）RP。九、ERP的优点。十、妨碍ERP提高空间分辨率的原因。主要参考文献：T.W.Picton,S.Bentin,P.Berg,etal.（2000）.Guidelinesforusinghumanevent-relatedpotentialstostudycognition:Recordingstandardsandpublicationcriteria.Psychophysiology,(37),127–152.McCarthy,G.,&Wood,C.C.（1985）.Scalpdistributionsofevent-relatedpotentials:Anambiguityassociatedwithanalysisofvariancemodels.ElectroencephalographyandClinicalNeurophysiology,62,203–208.JosephDienandAleciaM.Santuzzi.（2005）.ApplicationofrepeatedmeasuresANOVAtohghi-densityERPdataset:areviewandtutorial.InToddC.Handy(Ed.),Event-RelatedPotentials,AmethodHandbook.MITPress,Cambridge.57-82.StevenJLuck.（2005）.AnIntroductiontoTheEvent-RelatedPotentialTechnique.MITPress,Cambridge.225-266.魏景汉、罗跃嘉：认知事件相关脑电位教程，经济日报出版社，2002，北京。1965-66:4101967-68:15771969-70:20911971-72:21861973-74:23441975-76:27011977-78:28631979-80:37341981-82:43751983-84:47021985-86:49671987-88:54351989-90:57731991-92:61711993-94:61461995-96:62651997-98:62631999-00:67082001-02:65402003-04:77122005-06:87142007-08:8995ERP的发展趋势一、自发电位EEG与事件相关电位ERPElectroencephalography,EventRelated-Potentials•EEG：不断发生/自发；ERP：诱发才有。•EEG含有心理与生理信息，但非为波形本身。•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。•EEG和ERP都是由大量神经元的活动形成的。•引起ERP变化的可能因素：（1）源：神经元的组成变化。（2）总体活动强度变化。（3）总体电场方向变化。只有当偶极子源具有开放型电场时，才能被远距离记录到。简单地说，当脑组织中神经元的排列方向一致时，例如皮质第三、五层的锥体细胞，其同步发放所形成的电场即是开放型电场，此时神经元电场相加总合，可在颅外记录到相应的电位。当缺乏上述清楚的局部神经元解剖学基础时，例如内侧丘核，则产生封闭式电场。此时，神经元虽可同步发放，但局域外电场方向不能一致，互相抵消，偶极子电场不能总合，远距离处则不能记录到有关的电位。（4）组成成分的相对活动强度变化。（5）组成成分的相对电场方向变化。•注意：脑内加工（脑机制）表现出的ERP是上述诸多因素综合作用的结果，各因素皆有可能变化。所以，若不同条件下的ERP不同，表明脑的加工不同，但是若不同条件下的ERP相同，并不表明脑机制相同，因为可能是强弱变化互相抵消或方向变化互相抵消的结果。二、ERP的基本概念（一）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，以及当某种心理因素出现/变化时在脑区所产生的电位变化。•需要注意撤反应。（二）ERP的定义三、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理（一）特性：1．淹没，约2微伏~10微伏。2．两个恒定：潜伏期、波形。（二）EEG对ERP的淹没与叠加基本原理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100EEGandEvokedPotentialsEEGEvokedPotentials四、ERP数据提取过程（一）增益(Gain,放大倍数Amplification):（1）一般取105。（2）含HeadBox150倍。（3）VEOG与HEOG应减小。（4）分贝与放大倍数的关系：1dB=20logA，logA=dB/20例如，A=10000，则可表示为80dB。120dB，则logA=120/20=6，A=106。（5）易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚至成为直线。普通（单边）放大电路差动式（双边）放大电路（二）共模抑制比（辨差比，Commonmodelrejectionratio,CMRR）减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。CMRR=Ad/Ac,Ad：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。Ac1。例如，Ad=50000，Ac=1/20，则CMRR=106=120dB。（三）通过模拟滤波（设定频带宽度）减少噪音与干扰(1)频响曲线：任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行放大，对超过者不放大；该范围表示为频响曲线。频带宽度：-3dB（，约0.7）倍Ad时，高低频响间的频带宽度。范围的两端皆可调。频率响应曲线1/2(2)低端频响FL：级间为阻容耦合，前级输出电压E一定。容抗Xc=1/ωC，频率ω越低，容抗越大，落在电容上的电压Ec越大，落在电阻上的后级输入电压ER越小，高频相反。所以只限制低频，故称高通(high-pass)。调节电容C可调节频响低端。例如将电容C调大，则容抗变小，更低频率的信号落在电容上的电压EC变小，落在电阻上的后级输入电压ER增大，以此拓宽了低端。时间常数（timeconstant,TC）=阻容乘积=1/（2πFL），是低端频响之表达。(3)高端频响Fh：在输出端并联电容C。频率越高越短路掉，只限制高频，故称故低通(low-pass)。调节电容C可调节频响高端。例如将电容C调小，使较高频率的容抗增大，不致短路掉，以此拓宽了高端。(4)设定频带宽度，使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除噪音与干扰信号目的。频带宽度的设定数值将直接影响ERP波形是否失真，至关重要。时间常数对波形的影响若TC=10，则FL=1/2πTC=1/62.8=0.0159Hz若TC=1，则FL=1/2πTC=1/6.28=0.159Hz若FL=0.01Hz，则TC=1/2πFL=1/0.0628=15.9若FL=0.05Hz，则TC=1/2πFL=1/0.314=3.18若FL=0.1Hz，则TC=1/2πFL=1/0.628=1.59ERP晚成分一般应取FL=0.01Hz，最多取0.05，见上图。•易犯的错误：①off-line进行不必要的数字滤波。②on-line进行不必要的陷波(Notch)。③模拟滤波低端不够低。（四）数字滤波(digitalfilter)：一般不用。用于陷波去50周干扰，或只留慢波等特殊情况。（五）A/D转换精度（amplituderesolution,AR）―ERP的波幅分辨率。举例说明。A/D转换卡Analogtodigitalconverter采样分辨率≥12bit（位）。输入电压范围（inputrange,IR）=±5V.超过者视为±5V而失真。12bit意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095个等级,每个等级10V÷4095=2.442mV。若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率=2.442mV÷20000=0.1221μV.即0.1221μV的脑电变化就测不出来。所以可得公式：为提高脑电分辨率，根据上列公式，可以[1]提高采样分辨率。现已多用14bit，每个等级10V÷16383=0.61mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0305μV.[2]在可能的范围内增大Ad。若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0306μV.若Ad=40000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷40000=0.0153μV.(21)bitARIRAd例如,有5μV的脑电信号.若基线为15μV,则处于20μV的位置，放大后不得超过5V，则最多只能放大5V/20μV=250,000倍因为20μV×250,000=5V，已达极限值.若基线为0μV,则处于5μV的位置最多可放大5V/5μV=1,000,000倍因为5μV×1,000,000=5V，才达极限值.为了增大放大倍数Ad，应调节脑电基线接近零，以便进一步充分放大脑电信号,又不致超出±5伏的采样范围。调节脑电基线接近零可防止不必要的失真。例如脑电50μV，基线200μV，共250μV，放大30000倍后脑电成为7.5V，溢出的2.5V被削顶失真。若基线为0，则50μV放大30000倍为1.5V，正常。（六）A/D转换速度（采样速度）―ERP的时间分辨率在A/D转换精度足够的情况下，A/D转换速度，即采样速度决定着ERP的波幅精度与ERP的时间分辨率（见图）。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。（七）排除伪迹与校正伪迹：CNT文件。例如