（生物医学工程专业论文）视觉刺激下的脑电特性研究——面孔识别的事件相关脑电分析.pdf

上海大学硕士学位论文半球也有显著差异；l m s 移动的重叠时间窗不仅包含不重叠的时间窗的所有信息，而且还呈现出了许多不重叠的时间窗遗失的信息。其中一个发现就是面孔刺激的知觉过程后期熵值的剧烈增加，以t 5 ，t 6 导联尤甚。这个发现为研究面孔识别的后期知觉加工提供了新的方法。以上是作者在这篇学位论文中的主要研究工作，本文从信号处理方法入手，同时始终与传统的研究结果相比较，研究涉及了多方面的内容，得出了一些重要的结论，为今后的面孔识别的脑电研究作了有效的、有意义的研究铺垫。关键词：面孔识别，事件相关电位，小波变换，小波熵，伪迹v i上海大学硕士学位论文a bs t r a c tb r a i nr e s e a r c hi so n eo ft h eg r e a t e s tc e n t u r yc h a l l e n g e si nt h en a t u r a ls c i e n c e s a sas p e c i a lv i s u a ls t i m u l a t i o n ，f a c ep a t t e r np r o v i d e saw e a l t ho fi n f o r m a t i o n a n a l y s i so fe l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h ( e e g ) s i g n a li so n eo ft h em e t h o d so fb r a i nr e s e a r c h e v e n t r e l a t e dp o t e n t i a l s ( e r p s ) ，e x t r a c t e df r o me e gp o t e n t i a l si nc o g n i t i v ep r o c e s s ，i sad i r e c tr e f l e c t i o no fn e u r o n a la c t i v i t y h i g h s p e e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fb r a i nc a l lb et r a c k e db ye r p sa tm i l l i s e c o n dt e m p o r a lr e s o l u t i o ns i m u l t a n e o u s l yw i t l lf a c ec o g n i t i v ep r o c e s s e s e r ph a sb e e na l li m p o r t a n tt o o li nf a c er e c o g n i t i o nd u et oi t sr e a l - t i m er e f l e c t i n gt h eb r a i n sa c t i v i t y t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st oe x p l o r ed i f f e r e n c e sb e t w e e no ff a c ea n dn o n - f a c er e c o g n i t i o nb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ec o r r e s p o n d i n ge r ps i g n a l s t w op a r t so f r e s e a r c ha r ei n c l u d e d ：i ) p r e p r o e e s s i n go f e e gs i g n a l sa n di i ) t h es t u d yo fe r p sd u r i n gf a c e & n o n f a c er e c o g n i t i o n t h em a i nr e s e a r c h e sa n di n n o v a t i o n sa r es t a t e da sf o l l o w s ：( 1 ) p r e p r o c e s s i n go fe e gb e c a u s eo fi t sh i g h e rt i m e - v a r ys e n s i t i v i t y ，e e gi ss u s c e p t i b l et oa l lk i n d so f n o i s e s , n a m e l ya r t i f a c t s ，e s p e c i a l l yt h ee l e c t r o - o c u l o g r a p h y( e o g ) a r t i f a c t ，w h i c hb r i n gd i f f i c u l t i e sf o re e gi n t e r p r e t a t i o na n dd i s p o s a l f i r s t l y ,d e n o i s i n gm e t h o d s s u c h 勰r e g r e s s i o n b a s e dm e t h o d s 、a r t i f a c ts u b t r a c t i o n 、p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) 、i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ( i c a )a n dw a v e l e tt r a n s f o r m ，a r er e v i e w e d a c c o r d i n gt oap r i o r ik n o w l e d g et h a te o gi sal o w e r -f r e q u e n c y ，t h e na ne f f e c t i v ed e n o s i n gm e t h o db a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sw a sp r o p o s e d t h el o w - f r e q u e n c yp a r t so ft h en o i s ye e gs i g n a l so fe a c hc h a n n e la r ef i r s t l yd i s t i l l e db yw a v e l e tt r a n s f o r m ，a n de o ga r t i f a c t sa l et h e nr e m o v e db yi c a w a v e l e tp r e p r o c e s s i n gn o to n l yr e t a i n st h eh i 【g h - f r e q u e n c yp a r to ft h ee e gb u ta l s oi m p r o v e ss n ri ni c ap r o c e s s i n g ，w h i c hr e s u l t si naf a s t e rc o n v e r g e n c eo fi c a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e di c ad e n o i s i n gm e t h o db a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sc a nr e t a i nm o r eu s e f u le e q( 2 ) w a v e l c te n t r o p y ( w e ) r e s e a r c hi nf a c er e c o g n i t i o n e r p sw a v e l e te n t r o p yr e f l e c t st h ed i s o r d e rd e g r e eo ft h ed i f f e r e n tr h y t h md i s t r i b u t i o r lt h ew a v e l e te n t r o p y ，t e m p o r a la v e r a g ea n dm e a nw a v e l e te n t r o p yw e r ee m p l o y e dt oa n a l y z et h ef a c ea n dn o n f a c ee r p ss i g n a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tw a v e l e te n t r o p yw a s m o r ee f f e c t i v e ，w h i c ho v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so f s p o c t r a le n t r o p yi na n a l y z i n gt h en o n l i n e a ra n dn o n - s t a t i o n a r ys i g n a l s c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo fi上海大学硕士学位论文w ev a l u e si nf a c ea n dn o n - f a c ev i s u a ls t i m u l a t i o n 。w ef o u n dt h a tf a c ec o u l de v o k em o r eb r a i na c t i v et h a nt h a tb yn o n - f a c es t i m u l a t i o n j 西h san e wm e t h o dw a se x p l o r e df o r t h er e s e a r c ho f f a c e sv i s u a ls t i m u l u s ( 3 ) t h er e s e a r c ho fw a v e l e te n t r o p yo v e rt i m e 1 1 l cw ea b o v eo n l yg a v et h ee n t r o p yv a l u eo f t h ew h o l es i g n a lo rt h eg l o b a lc h a r a c t e r i z a t i o no f s i g n a l ，b u tm i s s e dt h et i m e - v a r y i n gw ev a l u e w ed i v i d e de r p sd a t ai n t os e q u e n t i a lw i n d o w s a f t e rc a c u l a f i n gt h ew ev a l u ew i t h i ne a c hw i n d o w ，w eg o tt h et i m ed e p e n d e n tw a v e l e te n t r o p i e s i nt h ei n i t i a lp e r c e p t i o np r o c e s s i n go f v i s u a ls t i m u l a t i o n ，t h ev a l u eo f w eo ff a c es t i m u l a t i o nw a sd e a r l yh i g h e rt h a nt h a to fn o n f a c es t i m u l a t i o ni nm o s tc h a n n e l sb yu s i n gn o n - o v e r l a p p i n gw i n d o w so f1 2 8 m s t h es t a t i s t i cr e s u l t so f w ea to c c i p i t a l t e m p o r a ll o b e si n d i c a t e dt h a tf a c ea n dn o n - f a c es t i m u l a t i o n sh a das i g n i f i c a n td i f f e r e n c eq o 0 5 ) i nt h ef i r s t0 1 2 8 ) a n ds e c o n dw i n d o w s ( 1 2 9 2 5 6 ) i na d d i t i o n , t h et w oh e m i s p h e r e sa l s oh a das i g n i f i c a n td i f f e r c n c tw ei nt h ef i r s tw i n d o wq 0 0 5 ) w i t ht h es a m el e n g t h ( 1 2 8 m s ) ，t h ew i n d o ww a sc h a n g e di n t oo v e r l a p p i n gw i n d o wb yl m ss t e p w ef o u n dt h a tl m sm o v i n gt i m ew i n d o wi n c l u d e dn o to n l ya l lt h ei n f o r m a t i o no f1 2 8 m sn o n - o v e r l a p p i n gw i n d o w sb u ta l s oc o u l dd e t e c tal o to fm i s s e di n f o r m a t i o nb yn o n - o v e r l a p p i n gw i n d o w w ea l s o f i n da l ls i g n i f i c a n ti n c r e a s eo fd i f f e r e n c ei nt h el a t ep e r c e p t i o np r o c e s s i n go ff a c es t i m u l a t i o n ，e s p e c i a l l ya tt 5 ，t 6c h a n n e l s w h i c hc o u l db ean e wp o t e n t i a lw a yt os t u d yl a t ep e r c e p t i o np r o c e s s i n go f f a c er e c o g n i t i o n t h em a i nw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o nw a ss u m m a r i z e da sa b o v e i nc o n c l u s i o n ,b a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，w ec a r r i e dr e s e a r c ha n do b t a i n e ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ，w h i c hc o u l de s t a b l i s ha ne f f i c i e n ta n dm e a n i n g f u lf o u n d a t i o nf o r t h er e s e a r c ho f f a c er e c o n g i n t i o n k e y w o r d s ：f a c er e c o g n i t i o n , e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l s ( e r p s ) ，w a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) ，w a v e l e te n t r o p y ( w e ) ，a r t i f a c tv i l l上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：捌 建一日期：斟本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：二陋导师签名：垄监日期：_ 三堕吐i i上海大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题研究的目的和意义视觉是人类最重要的感觉通路。心理学研究表明，外界信息的8 0 - - 9 0 是通过视觉系统传入大脑的。而从生理学角度看，大脑皮层的4 0 都是用于处理视觉信息的。因此对视觉信息处理的研究始终是脑科学研究的重要领域之一，视知觉研究也是认知神经科学和心理生理学研究中最多也最深入的领域。视觉信息处理是神经科学、数理科学和计算机科学共同关注的前沿研究领域，在1 9 9 0 年由美国发起的“脑的十年”的研究计划中，视觉系统的探索研究获得了强有力的支持f ”。该计划取得了相当的成果，但是仍有许多问题未得到解决，比如，面孔识别与物体识别是否有相同的脑机制?面孔作为一种特殊的视觉刺激，是人与人之间相互识别的标志，也是表情达意的重要工具。它是人们日常生活中最常见的事物，提供了丰富的社会信息，如性别、年龄、种族或情感状态等，对面孔的识别是人类社会生活中的一项重要功能。面孔识别与物体识别都是人类社会生活中的重要功能，但面孔识别却比物体识别在人类的生长发育过程中发展的更早，人类刚一出生便倾向于将面孔与其他物体区别开来1 2 】。面孔是复杂和多维的，但人类在面孔识别方面具有很高的技能，可以在几百毫秒内轻易完成这一过程【扪。进行面孔识别的研究，对模式识别、计算科学、人工智能等应用基础研究，对脑损伤及老年痴呆病人面孔记忆的缺失原理的研究以及临床应用等均有重要的意义【2 1 。近年来，人们采用了一些先进的研究手段，如功能性磁共振成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，f m r i ) 和正电子发射断层扫描( p o 曲o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 等技术对面孔刺激的加工识别过程进行探讨。以f m r i 为例。f m r i在空间上有很高的分辨率，但是却不是直接探测神经兴奋信息，在神经兴奋与产生最大磁共振信号之间存在时间延迟( 约4 8 s 1 【4 】，而且时间分辨率比较低，只能反映一个较长时间段内的脑区功能变化，因此不能准确地反映瞬间即逝的面孔识别过程阁。脑电( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 信号直接体现了大脑的生理活动状况，其中包含了丰富的大脑的生理活动信息，人脑接受外界视觉刺激并在极短的时问内进行信息加工是一个极其复杂的过程，从头皮上记录的脑电位变化，可以快速地反映了大脑在这一过程中的某些变化。事件相关电位( e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r a ) 是从e e g 中提取的电位，是脑神经元活动的直接反映，可跟踪脑高速的信息加工处理过程，其时间分辨率是毫秒级，与面孔认知过程同步发生，实时地反映了大脑的认上海大学硕士学位论文知活动。本课题将借助信号处理方法对面孔和非面孔的视觉刺激的e r p 信号进行比较研究，探讨面孔识别和物体识别的不同脑机制。本论文是国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划项目子课题“视觉信息处理中的心理生理学机制研究”中的重要部分。1 2 国内外研究现状1 2 1e r p 的研究现状脑电综合地反映了神经系统中神经元的电活动，因此对脑电的研究在临床医学，精神病学以及认知科学中，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。近些年，随着认知神经科学研究的发展，事件相关电位e r p 受到脑科学界更为广泛的关注。它是一组与刺激的种类无关，而与刺激时的认知、期待和判断相关联的电位成分。认知神经科学研究中存在多种研究手段，如p e t 、蹦r j 等是近年来受到广泛关注的实验手段，而e r p 与其相比，其主要的优势在于具有很高的时间分辨率( 微妙一毫秒) ，此外e r p 便于与传统的行为测量指标反应时有机地配合，进行认知过程研究。同时e r p 的获取是无创的，可以方便地进行测试【甜。因此自1 9 6 5年s u t t o n 报道以来，它便成为研究人类高级神经功能的一种客观可行的方澍甜。e r p的分析方法主要包括成分分析法和一致性分析法【6 】。成分分析法e r p 成分分析法是脑电在心理学中应用最广的方法之一。传统的e r p 脑电分析方法主要包括时域分析和频域分析。随着数字信号处理理论和方法的发展，越来越多的研究者开始使用信号处理领域的各种新的研究方法，并在脑电信号的伪迹去除和认知研究中取得了一定的进展。这其中时频分析是当今研究的焦点。时域分析通过直接提取波形特征进行分析，比较直观。中枢神经系统的某些主要信息主要反映在波形特征上，因此在目前的技术水平下，脑电的e r p 时域分析，仍是提取脑电信息的重要途径。时域分析的常用方法有峰值检测、潜伏期检测、方差分析、相关分析以及直方图等。目前，e r p 的时域波形研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等多个领域，发现了脑电的许多与认知活动过程密切相关的成分。例如：英国神经生理学家w a l t e r 等 7 1 首次报道了与人脑对时间的期待、动作准备、定向、注意等心理活动密切相关的慢电位成分c n v ( c o n t i g e n tn e g a t i v ev a r i a t i o n ) ；s u t t o n 等【8 】在认知不同声调时纪录到潜伏期约为3 0 0 m s 的正波，b j p 3 0 0 ，是一个与注意，辨认、决策、记忆等认知功能有关的e r p 成分，现在已广泛应用于心理学、医学、测谎等领域。n 萏 i ：t 萏n c i l 等1 9 1 1 9 7 8 年采用相减的方法首先发现了反映脑对信息的自动加工的2上海大学硕士学位论文失匹配负波( m i s m a t c hn e g a t i v i t y ，m m n ) 和加工负波( p r o c e s s i n gn e g a t i v i t y ，p n ) ，并提出了注意的脑机制模型和记忆痕迹理论，成为近年注意研究的前沿问题；k u t a s和h i l l y a r d 首先观察到反映语义认知加工过程的n 4 0 0 t 1 0 1 ，围绕n 4 0 0 的一系列研究，促进了对人脑语言加工脑机制的认知，而且n 4 0 0 的发现不仅在于使e r p 增加了一个具有特定意义的成分，扩大了e r p 的研究范围，重要是将e r p 成功地应用到了语言心理学，给语言心理学注入了新的活力，使探讨语言加工的脑机制成为可能【2 】。频域分析又称作谱分析，“谱”是指信号的某些参数在频域随频率的分布，如幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等。由于离散傅立叶变换的快速算法f f t 的出现，使信号频谱计算变得简单、快速、易于实现，从而在现代科学的很多领域中获得极为广泛的应用。而且脑电信号的很多主要特征是反映了频率特征上的，因此谱分析技术在脑电信号处理中占有特殊重要的位置。脑电信号的频谱分析，主要是功率谱分析( p s a ) ，这是因为脑电信号是持续时间无限的随机信号，属功率型信号，从数学上而言它的傅立叶变换不存在，因此只能求其功率谱特性。功率谱分析方法假定了信号的平稳性，信号的各阶统计量不随时间而改变。然而，脑电信号属于典型的非平稳信号，其频率特征随时间的变化而发生变化，因此功率谱分析方法不能完整准确地分析脑电信号。小波变换作为一种独特的时一频分析方法，有“数学显微镜”的美誉。适合于非平稳信号，无需参数。与混沌动力学相比，具有运算速度快，无需大量的数据点等特点，能获取瞬变的时频特征和时变的节律信号，因此以这种技术为基础的e r p成分提取方法越来越多地被研究者所采用。一致性分析法人脑处理外界认知刺激的过程极其复杂，仅仅考虑单个脑区的功能将会显得缺乏整体性。一般认为大脑的认知过程是大脑各个功能区共同整合的结果。m a l s b u r g认为这种整合是由皮层神经元的同步振荡活动形成的“。g r a y 等“4 人在猫的初级视觉皮层上，发现了刺激诱发神经元群活动的g 觚姐a 同步振荡现象。s i n g e r 等t ”1 人则在人的脑电波中也发现了同样的现象。研究结果表明，同步振荡是由跨脑区各神经元群之间保持某种特定频率的锁相过程造成的。研究脑区同步化现象的主要手段是一致性脑电分析。一致性分析方法假定，脑区的功能整合，是通过神经元群彼此之间保持某特定频率的锁相( p h 鹊e - l o c k e d ) 过程形成。与e r p 成分分析不同，一致性分析着重于脑区间的功能联系与整合。因此一致性分析需要与其它脑区功能研究，如f m r i 、p e t 技术等相结合。联系以往对脑的各区功能的认识一致性分析能很好地解释实验的结果。脑电波中含有丰富的大脑认知活动信息，如何有效提取认知活动相关信息是心上海大学硕士学位论文理学脑电研究的关键所在。e r p 时域和频域分析，因其简单便捷而被多数研究者所采用，时频分析不仅能提取e r p 信号的时域波形特征，而且能提取频域，即脑电节律的特性，因此受到了越来越多的关注。大脑的认知活动是多脑区共同整合形成，一致性分析较好地反映了这种同步整合的过程。总之，不同的脑电处理方法都是针对不同的心理学问题应运而生，它们均有其自身的前提假设也都有各自的优越性与局限性。1 2 2 面孔识别的e r p 研究现状面孔作为人们日常生活中最常见的事物，近3 0 年来，引起了国内外学者的广泛关注。有关面孔识别研究的方法主要有两类：一类是采用传统的实验心理的方法进行研究，另一类是借助e r p 、f m r i 、p e t 等脑成像技术进行研究“1 。e r p 由于其极强的时间分辨率成为面孔识别研究的重要手段。面孔识别的e r p 研究开始于2 0 世纪6 0 年代，其研究的重点是想通过e r p 技术来揭示面孔识别现象的内在规律和机制“。早在1 9 8 6 年，b r u c e 和y o u n g 就根据以往研究成果，提出了著名的面孔加工的多阶段识别模型。他们认为，对面孔识别加工应分为两个阶段：第一阶段是对面孔的知觉结构编码，这个阶段会进行面孔特征和空间结构的分析，包括两种编码方式：一种是静态的图形编码，比如面孔照片的亮度、质地等；另一种是动态的结构编码，主要指的是对面孔空间结构的编码。第二阶段，一条支路把面孔结构表征与存储在面孔再认单元( f r u ) 里的面孔表征进行比较，特征匹配时将激活相应的单元并且获得有关面孔的语意记忆，完成最终的面孔识别。而另一条支路根据面孔的特征进行性别和表情的加工“。目前普遍认为枕颞区的n 1 7 0 是反映面孔特异性f i q e r p 成分。1 ，当对面孔进行早期加工时，会诱发出比对其他非面孔物体加工更大的负波，该负波在刺激呈现后1 7 0 m s 左右达到峰值，认为反映了面孔识别的早期感知加工，且物体之间的n 1 7 0 波幅差异通常很小并且缺乏一致性。面孔倒置效应研究是面孔识别中的一个非常重要的方面。1 9 9 6 年，b e n t i n 在实验中发现，与正立的面孔刺激相比，倒置的面孔引发的n 1 7 0 波的潜伏期会有大约8 m s的延迟“。此后，r o s s i o n 等人在1 9 9 9 年以来的实验中也证实了这一结果，并且他们发现，对于倒置的其它物体则不会出现此延迟。因此，r o s s i o n 等人认为，这个n 1 7 0的延迟可能是由于倒置的面孔没有提供充足的结构信息“”。同样，在2 0 0 0 年，l i u等人采用灰白照片作实验材料，通过实验记录到面孔刺激比非面孔刺激在双侧枕颞叶( b i l a t e r a lo c c i p i t o t e m p o r a l ) 处引发的n 1 7 0 具有更大的波幅；而且倒置的面孔与正立的面孔引发的n 1 7 0 相比较，在波幅上没有显著差异，但是倒置的面孔引发的n 1 7 0波的潜伏期有1 3 m s 的延迟，这一结果也与以往实验的结果基本一致“”。4上海大学硕士学位论文除了n 1 7 0 ，在顶一枕区的v p p 潜伏期为刺激呈现后1 5 0 2 0 0 m s ，被认为与n 1 7 0 由同一个脑源引起的，也具有面孔特异性。1 。2 0 0 5 年，j o y c e 对不同参考电极对n 1 7 0 与v p p 的影响进行了研究“”：通过5 3 导的头皮电极记录脑电，参考电极为左侧乳突，给受验者呈现一系列的面孔、汽车和单词。离线分析时再将其转化为以其他参考电极为基准的数据，例如：平均电极、平均双侧乳突、平均双侧耳垂、非头部参考电极、鼻尖。结果发现v p p 和n 1 7 0 的面孔特异性不随参考电极的变化而变化，而且不同的参考电极时v p p 与n 1 7 0 的幅度都呈现精确的反转，且v p p 与n 1 7 0 的波峰出现的时刻一致。因此j o v c e 认为v p p 与n 1 7 0 是同一大脑活动的两种表现。但是学术界对此众说纷纭，更多的研究者( 杜英春【3 1 ，e i m 一2 0 1 ，b o e h m l 2 1 1 等)虽然记录至u v p p 和n 1 7 0 两种面孔特异性波形，但是没有上述幅度的精确反转以及同样的波峰出现时刻。一般研究认为v p p 和n 1 7 0 是两种面孔特异性波形，但是枕颞区的n 1 7 0 波形更加稳定。虽然面孔的e r p 研究被广泛聚焦于人脑的枕颞区，也称为面孔梭状区域( f u s i f o r mf a c e a r e a ，f f a ) ，但是大脑作为一个统一的整体，不同脑区的电活动是相互交织、相互影响的。一些学者认为在面孔识别中不仅枕颞区激活了，而且大脑的其他区域也被激活。人们对面孔识别脑电的e r p 研究主要关注对波形的峰值和潜伏期的分析，近来分析e r p 脑电的不同节律成分，也越来越受到国内外学者的关注。2 0 0 5 年6 2 9 6 r e n 等人对2 6 个被试进行了两类视觉刺激( 熟悉面孔非熟悉面孔) 的实验噙3 ，发现在识别熟悉和非熟悉的面孔时，不熟悉的面孔b e t a 节律能量显著高于熟悉的面孔，而在整个头皮上熟悉面孔引起更长时间的b e t a 节律振荡。但以往的研究注重观测某种节律能量的大小，却忽视了各个节律成分能量的整体变化。熵是一个衡量信号不同成分的混乱程度的一个量化标准，本文试图用熵的概念来对面孔这种特殊视觉刺激所引起的各个节律的能量分布进行量化评估。1 3 论文的内容与安排本研究内容涉及到脑电信号的预处理伪迹去除的研究、面孔非面孔特征提取。具体各章节安排如下：第一章绪论阐述了课题的研究目的和意义，并介绍了e r p 和面孔识别的e r p等方面的研究现状。第二章介绍了课题研究的神经电生理基础，包括脑电的电生理基础和面孔识别的神经机制。上海大学硕士学位论文第三章围绕本论文的脑电实验数据的特性，研究了现有的伪迹去除方法，对其进行比较研究，并对小波变换的脑电去噪方法进行了探索研究。第四章对实验设计进行了介绍，并且对e r p 结果进行了时域分析，在枕颞区观察到了具有面孔特异性的e r p 成分n 1 7 0 。本章是全文的研究基础。第五章为本论文的核心部分。首先对小波和小波熵的基本理论进行了介绍，然后对总平均后的e r p 数据进行了小波熵的分析，发现了在面孔月# 面孔刺激时在多数电极位置上小波熵值的明显差异。并通过加时间窗获得了小波熵值的连续变化情况。第六章在第五章的基础上，对算法进行改进。通过减小移动时间窗捕捉到了更精细的小波熵值连续变化情况。此外，本文还采用另外两种小波熵，时间平均小波熵和均值平均小波熵对同一组数据进行了分析，结果进一步验证了小波熵在分析面孔刺激上的可行性。第七章对本论文的工作进行总结，并对后续的相关工作进行了展望。1 4 论文的创新点1 去噪方法的研究。基于对现有去噪方法的研究，本文运用小波变换和i c a 相结合的去噪方法。在小波变换提取出各导含噪脑电低频部分信号的前提下利用i c a分离出低频部分的眼电干扰。基于的先验知识是眼电信号的频率比较低( 约 3 0 h z ，被认为代表了脑神经细胞群的协同活动，与人脑高级的认知活动相关。脑电信号是非平稳性比较突出的随机信号，出现何种节律决定于年龄、兴奋状态与引导部位等因素，同时它的节律会随着精神状态的变化而不断改变，而且在基本节律的背景下还会不时地发生一些瞬态，如快速眼动、癫痫病人的棘波或峰波等。用肉眼观察时，它们是一些有别于背景节律、持续时间较短而幅度较大的脉冲。2 1 2 诱发脑电随着脑电的问世及逐步发展，人们渐渐认识到脑电活动会因周围环境的刺激如声光而发生改变，也会因心理活动而改变。从信息学角度分析，e e g 并不完全是绝对的“自发”电位，也含有外来刺激，只不过外来刺激的影响十分微弱，几乎无法将刺激引起的脑电生理变化分辨出来。1 9 4 7 年d a w s o n 最先提出了与自发脑电相对应的诱发电位( e p ) 的概念，即特别安排的刺激引出的电位，8 0 年代起对诱发电位的研究便十分热门。e p 记录了神经系统对刺激本身产生的反应。因为诱发电位的特异性，即它与“特定”刺激的相关性以及与特定感觉回路的密切联系，使得它携带了关于大脑结构及功能的更多信息。因此，诱发电位具有相当的研究意义。在研究与高级神经活动相关的诱发脑电时，人们采用一些经典的诱发方式，如听觉诱发( a u d i t o r ye v o k e dp o t e n t i a l ，a e p ) 、视觉诱发( s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 、体感诱发( s o m a t o s e n s o r ye v o k e dp o t e n t i a l ，s e p ) 等。诱发电位的分类方法有多种。按刺激的种类可以分为a e p 、v e p 、s e p 等。根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚( 长) 潜伏期诱发电位上海大学硕士学位论文和慢波，或称早、中、晚成分和慢波。1 0 毫秒以内为早成分，如脑干听觉诱发电位。中成分出现在刺激呈现后1 0 5 0 毫秒，5 0 毫秒至5 0 0 秒为晚成分，5 0 0 毫秒后为慢波( s l o ww a v e ) 。晚成分和慢波是与心理因素关系最为密切的成分。还可以按波形的极性来分，欧美将正相电位放在零电位的下方，而将负相电位放在零电位的上方，正波命名为p ，负波命名为n ；但日本等国则相反。1e p 不同于传统的e e g 。它具有以下三个特征【2 习：1 1e p 的出现与刺激之间有明确和严格的时相关系，即稳定的潜伏期；2 ) 某种刺激引起的e p 有一定的反应形式，不同感觉系统中反应的形式也不相同；。3 1 由各种感觉刺激引起的e p ，在大脑内具有各自不同的空间分布。2 1 3 事件相关脑电所谓事件相关电位( e r p ) 就是当人对客体进行认知加工( 如注意、记忆、思维) 时，通过平均叠加从头颅表面记录到的大脑电位。e r p 是一种特殊的诱发电位它反映认知过程中大脑的神经电生理改变，因此，有人将其称作是“认知电位”【2 0 】。e e g主要来自突触后电位变化胞体和树突的电位变化。而e r p 除皮质突触后电位以外，可能还含有皮质下组织活动及轴突动作电位变化。e r p 是一项无损伤性脑认知成像技术，其电位是人类身体或心理活动与事件相关的脑电活动，可在头皮表面记录到并以信号过滤和叠加平均的方式从e e g 中分离出来。1 9 6 5 年由s u t t o n 开创的事件相关电位为打开大脑功能这一“黑箱”提供了一个更为客观且简便可行的方法。正常的自发脑电一般处于几微伏到1 0 0 微伏之间，且成分复杂而不规则，e r p与自发脑电构成类似信号和噪音背景的关系，因此e r p 需要从e e g 中通过叠加平均来提取。e r p 有两个重要特征：潜伏期恒定和波形恒定；与此相对，自发脑电则是随机变化的。所以，可以将同一事件( e v e n t ，即刺激) 多次引起的多段脑电记录下来，每一段脑电都是各种成分的综合，包括自发脑电e e g 。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( 噪音) 是随机变化，有高有低，且作为e r p信号背景的e e g 波形与刺激间无固定的关系，相互叠加时就出现正负抵消的情况；而e r p 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，经过叠加e r p 与叠加次数成比例地增大。当叠加到一定次数时，e r p 信号就从e e g 背景中显现出来了。叠加n 次后的e r p 波幅增大了n 倍，因而需要再除以叠加次数1 1 _ ，其平均值即还原为一次刺激的e r p 数值。1 本文中所有对e r p 的波形描述都采用欧美的。负上正下一的方法9上海大学硕士学位论文因此e r p 也称为平均诱发电位，“平均”实际指的是叠加后的平均。这是提取e r p 的叠加平均原理，对于e r p 研究来说，为了提取事件相关脑电位的变化，传统上往往进行多次重复刺激事件。e r p 是刺激事件引起的实时脑电波。极高的时间分辨率( 微妙毫秒) 是e r p 的主要优势。此外，e r p 便于与传统的行为数据，特别是反应时间( r t ) 很好地配合，进行认知加工过程的研究，且具有无创性，可以精确地评价发生在脑内的认知加工活动。与其他认知科学研究手段相比，e r p 的主要弱点在于低空间分辨率，e r p 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，e r p 只能采用数学推导来实现脑电的源定位，比如偶极子定位分析，这种方法的可靠性也是有限的。但与此同时，随着多导联e r p 设备的应用，很好地解决了其空间分辨率的局限，加上e r p 研究需要的设备较为简单和环境适应性强等优点，使得它的应用范围与日俱增。对e r p 波形的命名多采用极性潜伏期的方法，如2 7 0 毫秒的正波记为p 2 7 0 。此外，对人脑产生的事件相关电位最初和较为全面的分类方法，还是将e r p 分为外源性成分和内源性成分。外源性成分( e x o g e n o u sc o m p o n e n t ) 是人脑对刺激产生的早成分，受刺激物理特性( 强度、类型、频率等) 的影响，如听觉p 5 0 、n 1 、视觉p 1 等；内源性成分( e n d o g e n o u sc o m p o n e n t ) 与人们的知觉或认知心理活动有关，与人们的注意、记忆、智能等加工过程密切相关，不受刺激的物理特性的影响，如p 3 0 0 、n 4 0 0 等。既与刺激的物理属性相关又与心理因素相关的成分称为中源性成分( m e s o g e n o u sc o m p o n e n t ) 。内源性e r p 成分与外源性成分相比，是不含刺激物理因素的纯心理波，它没有感觉形式的特殊性，不依赖于诱发事件的物理参数，诱发反应也不是严格地决定于刺激，而是依赖于任务、指导语或实验设置诱发的心理状态和认知努力。内源性成分为研究人类认知过程的大脑神经系统活动机制提供了有效的理论依据。e r p 是一种特殊的诱发脑电信号，与普通的诱发电位( e p ) 相比，e r p 具有以下几个特点 2 】：1 ) e r p 是一种特殊的诱发电位，属于近场电位( n e a r - f i e l dp o t e n t i a l s ，记录电极位置距活动的神经结构较近) ：2 ) 一般要求被试实验时在一定程度上参与实验；3 ) 刺激的性质、内容和编排多样，目的是启动被试认知过程的参与；4 ) e r p 成分除与刺激的物理属性相关的“外源性成分”，还包括主要与心理素质相关的“内源性成分”以及既与刺激的物理属性相关又与心理素质相关的中源性成分。目前，e r p 的研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能1 0上海大学硕士学位论文等多个领域，发现了许多与认知活动过程密切相关的成分，其中与脑的高级功能有关的慢电位成分有p 3 0 0 、c n v 、失匹配负波和n 4 0 0 等。总之，e r p 是研究认知过程中大脑活动的不可多得的技术方法。2 2 面孔特异性的神经机制“面孔”作为一类特殊的视觉刺激，是人们日常生活中最常见的事物，是通过视觉辨别个体身份的最具鉴别性的指标，被用来精细区分和识别不同个体。通过面孔识别( f a c er e c o g n i t i o na n dp e r c e p t i o n ) 这种基本而重要的社会行为，我们可以获得人的许多重要的社会信息( 如年龄、性别、种族和情绪等) 。面孔识别与物体识别都是人类社会生活中的重要功能，但两者之间是否有着相同的脑机制呢? 是否采用两个分离的认知系统呢? 发展心理学家、心理生理学家和神经心理学家对此有着不同的看法。1 9 9 8 年f a r a h 提出了可以通过脑定位标准、加工系统标准、信息处理方式标准三个方面来衡量面孔识别与物体识别差异呻1 。其中脑定位标准即衡量参与面孔识别与物体识别的脑结构与脑机制；加工系统标准即衡量识别过程的每个系统是如何进行的，独立运作还是依靠另外一个系统；信息处理方式标准即衡量两个系统按照什么方式来处理信息。彭小虎等人根据此三条标准结合心理学、神经学和神经心理学的研究得出面孔识别与物体识别是两个分离的认知系统田1 。面孔知觉能