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ERP的实验设计与数据处理 1 一 实验范式 经典范式 Oddball Go Nogo注意 听觉 视觉记忆 学习 再认社会认知 2 经典范式1 Oddball Oddball实验模式是指采用两种或多种不同刺激持续交替呈现 它们出现的概率显著不同组成标准刺激 standardstimuli 大概率偏差刺激 deviantstimuli 小概率令被试对偏差刺激进行反应 因此该偏差刺激称为靶刺激 Target 或目标刺激 诱发P300 MMN等与刺激概率有关的ERP成分时的经典实验模式 3 标准刺激靶刺激非靶刺激刺激缺失新奇刺激 ABCD 4 跨通路延迟反应范式 Task1 AttendingPicture IgnoringTonePictureToneToneRedCross Discriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal Task2 AttendingTone IgnoringPictureTonePictureClick Discriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal 0 2trial 0 2trial 5 经典范式2 Go Nogo 两种刺激的概率相等Go刺激 令被试反应的刺激 即靶刺激Nogo刺激 不需被试反应的刺激特点 排除了刺激概率对ERP的影响 由于没有大小概率之分 大大节省了实验时间 但也丢掉了因大 小概率差异而产生的ERP成分 6 注意的实验范式 双耳分听空间注意 Cue Target提示范围的分级 7 鸡尾酒会效应与双耳分听 Chrry 1953 8 Hillyard 1975 Science 9 Mangun Hillyard 1991 10 ValidCue Invalid Neutral 经典的中央性提示 11 固定注视点1400ms 提示箭头200 500ms 目标50ms 屏蔽200ms Lucketal 1994 12 Validvs Invalid Validvs Neutral Invalidvs Neutral 13 间隔对P1效应的影响 Grorge Mangun 1998 14 注意左侧 多靶 16 注意右侧 多靶 16 注意左侧 少靶 2 注意右侧 少靶 2 被动 2 无关刺激 Woldorffetal 1997 靶刺激在下视野 15 对侧的背侧枕区 18 19区 16 Martinez Hillyard 1999 2001 刺激为白色直立的T 占86 和倒置的T 靶刺激14 被9个十字所包围 并叠加在灰色的棋盘格上以等概率随机出现在左侧视野 LVF 或右侧视野 RVF 任务是持续注视中央箭头并按键报告箭头所指注意侧的靶刺激 并忽视注意侧对面的刺激物 17 C1无注意效应注意效应发生在早期P1 晚期P1和N1 注意时其波幅增大 18 19 300ms 1500ms Time CUESIZESmallMediumLarge SOA ms 230 350 Short 500 650 Medium 800 950 Long FixationPrecueSearchArray 不同范围等级提示的空间注意实验范式 Luoetal CognBrainRes 2001 20 ERPinShortSOA SmallMedianLarge P1 80ms LargeMedianSmall N1 160ms Cue SearchArray P1 100ms N1 160ms 21 Pressthekey discriminatethedirectionoftheverticalcrescent ISI Short400 600msLong600 800ms 固定区域提示下的注意效应 22 其他相关实验 23 24 干扰刺激位置对视觉空间注意影响 干扰位于小圈干扰位于中圈干扰位于大圈 该范试的特点为干扰刺激均位于同一个圈 与靶刺激特征相同 内部干扰 外部干扰 内部 外部干扰 可以检测被试在分心物存在条件下注意力的集中程度 25 记忆的实验范式 经典范式 学习 再认运动知觉的启动元记忆 26 A StudyPhase 14faces SOA3s duration1s B TestPhase 28faces repeated50 SOA3 2s duration1s 27 理 张 理 舒 Time LearningStage TestStage Old New 1stPresent TypicalProcedures 28 ms 100 200 400 600 800 1000ms 0 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 V ms 100 200 600 800 1000ms 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 V 100 200 400 600 800 1000ms 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 V C3 Cz C4 HighFrequencyLowFrequency Encodingeffectsonhigher lower wordfrequency Chinese P180 N350 LPC 29 110ms146ms166ms275ms498ms600ms650ms750ms 114ms182ms234ms380ms486ms650ms680ms750ms 听觉汉字 视觉汉字 第一阶段 感觉第二阶段 知觉第三阶段 语言 Chen Luo 2003 NeuroImage 汉字的记忆编码 30 100 200 400 600 800 1000 0 0 1 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 0 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 0 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 0 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 100 200 400 600 800 0 900 0 1000 0 0 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 FzCzPz OldNewDiff Old New HigherFreq LowerFreq TestStage P180 N350 LPC 31 单次运动实验模式示意图 a 与单次运动产生的ERP总平均图 b 特定方向二义左右左 右 0 90 0 270 0 180 F1F2 向右运动二义运动向左运动 32 33 F1F2F3 启动 目标间隔 200 400 and1000ms 二义 目标特定 目标 实验 对照 启动目标 0 90 270 0 90 0 特定方向二义方向 双次运动的实验模式示意图 a 双次运动产生的ERP总平均图 b 强启动弱启动无启动 实验对照 P1 P3 2个相反的特定方向 34 无启动弱启动强启动 98162226386418ms 2 5 2 0 1 5 1 0 0 50 0 5 1 0mV 颞上回 枕叶 hMT 内侧顶叶 Z 3 09Z 13 11 a b 实验组与对照组相减的差异波地形图 a 和fMRI结果 b jiangLuoetal 2002 35 RT ms SameDirectionJudgements 2004001000ms PrimingReversalPrimingReversalinYounginYounginOldinOld 2004001000ms BehavioralData Theperceivedrateinthesamedirectionintheyoungwashigherthanintheoldsubjects F1 22 4 727 p 05 TheRTprolongedwithintervalincreasedonlyforprimingconditioninbothyoungandoldsubjects F2 44 5 711 p 01 2 无意识启动运动知觉的老年化 36 无启动弱启动强启动 98162226386418ms 2 5 2 0 1 5 1 0 0 50 0 5 1 0mV 颞上回 枕叶 hMT 内侧顶叶 Z 3 09Z 13 11 a b 首次确定视运动知觉的启动效应在刺激后98ms首先激活视觉初级皮层后续活动 400ms左右 发生在内侧颞叶 颞上回 顶叶等更广泛的脑区 运动知觉启动与工作记忆 37 0 90 180 0 90 0 SameDirectionOppositeDirection 1stMotion2ndMotion Time SOA 200ms 各种条件下的启动效应 38 0 90 270 0 180 90 0 180 0 Unambiguous Ambiguous Ambiguous AmbiguousUnambiguousAmbiguous 39 元记忆的研究方法 实验分三个步骤进行记忆一系列词对 例如 项目 大臣 呈现前面的线索词 项目 让被试回忆后面的靶子词 大臣 在他们回忆不出来的情况下 令他们判断自己是否对那个不能成功回忆的词有一种 知道感 通过一项再认测验来检验其 知道感 是否准确 40 元记忆的脑机制 知道感 记忆导致大量的脑活动 额叶区 而 不知道感 项目则只伴随有少量脑活动 知道感可能是基于一个部分信息提取和元记忆判断过程 而不知道感则可能基于一个线索熟悉性的脑活动状态 即一无所获而获得不知道感 对 知道感 的认知与大脑机制的探索 可为人工智能研究提供有益启示 Luoetal 2003 ChinSciBull 41 社会认知的研究 情绪与注意情绪与记忆欺骗的心理过程 42 情绪对注意的影响 43 1500ms Probe 延迟样本匹配 由 目标 target 延迟 delay 探测 probe 三个阶段构成的试验单元 实验范式 Sternberg 1966 44 实验程序 实验分2sessions 一个只呈现负性图片以诱发负性情绪 另一个只呈现中性情绪作为对照 5blocks session 32trails block32个trails里16个空间任务16个词语任务 随机出现 即每种条件80个trails 45 欺骗意图的实验范式 将欺骗过程分成三个阶段 欺骗动机形成 做出欺骗反应 欺骗结果的评价 买晓琴 博士论文 2005 46 动机形成阶段 ms 200 300 800 1300 1800 2300 2800 V 2 5 5 0 7 5 10 0 12 5 2 5 5 0 7 5 200 300 800 1300 1800 2300 2800 2 5 5 0 7 5 10 0 12 5 2 5 5 0 7 5 FCz ms 200 300 800 1300 1800 2300 2800 2 5 5 0 7 5 10 0 12 5 2 5 5 0 7 5 V V ms 强迫欺骗强迫诚实 强迫 自愿 自愿欺骗自愿诚实 47 结果评价阶段欺骗组与简单组比较 2 3差异波 100 100 300 500 700 5 10 15 5 10 15 20 25 FCz 100 100 300 500 700 5 10 15 5 10 15 20 25 ms V 290ms 300ms 欺骗组 简单反应组 48 二 刺激序列的问题 刺激呈现时间刺激间隔消除重叠成分 49 1刺激呈现时间 刺激呈现时间长度与任务难度成反比 当呈现时间短到一定程度 例如视觉刺激在40ms以下 人就不能主观感觉到这个刺激 可利用此特性进行非意识的启动研究 撤反应即刺激物消失也能导致ERP波形的微小改变 避免撤反应的措施一是将刺激呈现时间适当延长或缩短 二是利用相减技术 50 2刺激间隔 SOAstimulusonsetasynchrony ISIinterstimulusinterval OnsetOffset 51 短间隔将导致ERP成分 特别是早期成分的重叠 预留足够被试完成作业的反应时间 间隔过长可能浪费硬盘空间 并延长不必要的实验时间 刺激间隔与任务难度成反比 52 3消除相邻刺激的重叠成分 1 高通滤波 high passfiltering 增加频带宽度低端频率响应 可以减弱ERP在较长潜伏期 较低频率的部分 如果仅对早期高频成分 例如听觉脑干诱发电位感兴趣 即可采用此法 高通为50 150Hz 2 低通滤波 Low passfilter 采用不同间隔随机化 可以部分消除邻近的ERP重叠成分 又叫Jitter法 53 130 190ms 125 275ms 120 320ms 54 ERP数据处理 55 一 脑电数据的采集与记录 1步骤设置或修改脑电记录文件 SETUP文件 根据下述记录参数 电极安放 戴电极帽 记录 record 保存记录文件 save 56 2记录参数 放大倍数对脑电的放大倍数至少在5万倍以上 注意对EOG的放大倍数应减小1半或2 3 分析时间 epoch 与基线 baseline 根据实验模式和研究目的设定分析时间 多在1000ms左右 刺激发生前的基线常为100 200ms 频带宽度 bandpass 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 达到排除目的 频带宽度的高通一般为0 01 0 1Hz 低通为40 100Hz 皮肤阻抗应使其低于5k 每个记录点的脑电位均需与参考点的电位进行比较而得到电位差 因而此处的皮肤阻抗尤需降到尽可能低的程度 采样频率 A DRate 与时间分辨率成正比 例如250Hz的采样频率 时间分辨率为4ms 57 二 波形平均与叠加 提取并打开连续脑电文件合并任务数据消除眼电伪迹对脑电分段 Epoch 滤波 filter 基线校正 baselinecorrect 排除伪迹平均 average 保存 58 1波形识别 波形判断 从一系列波形中判断有关成分 是ERP研究的一个技术难关 可根据峰潜伏期 波形 及其头皮分布 参照总平均图与文献进行判断 丰富的经验也是一个重要的因素 三 波形识别与测量 59 2波峰测量 波幅测量峰 峰 基线 峰峰潜伏期测量起始时间 始潜时 的测量 60 200 200 400 600 800ms 2 0 4 0 2 0 4 0 6 0 潜伏期 基线 峰 峰 峰 61 Fz C3 C4 Cz T5 T6 P3 P4 OR OL Pz Oz O1 O2 5mv 600ms 62 3平均波幅测量 适用 信噪比不太好的波形 如差异波固定法或连续测量法 如间隔20 50 100和150ms 较客观 标准统一 便于测量及比较 但在个体差异大时 数据可靠性较差 具体法或间断法根据总平均图确定某一成分的时间窗口 根据总平均图而定 针对性较强 但主观性较大 不利于比较 63 4相减 相减技术的运用 对于提取更为纯粹的 与心理机制相关的ERP成分具有重要意义 64 1 统计分析的设计 描述性统计均值 标准差 均值 标准误T检验方差分析重复测量的多因素方差分析 RepeatedmeasuresANOVA 四 统计分析 65 Oddball实验 记录32导脑电概率 2 大 小概率 记录点 32 66 Cross ModalDelayedResponse Task1 AttendingPicture IgnoringTonePictureToneToneRedCross Discriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal Task2 AttendingTone IgnoringPictureTonePictureClick Discriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal 0 2trial 0 2trial 67 可以得到哪些ERP成分 68 怎样设计统计分析 2 2 2 12听觉通道与视觉通道 2 注意与非注意 2 标准刺激与偏差刺激 2 记录点 选取12个点 69 听觉视觉 注意非注意 记忆痕迹的失匹配机制 通路特异性 而形成痕迹的机制 通路上机制据此提出注意早晚选择因条件而异的注意过滤器可塑性假说 70 1定性分析 设置条件1与条件2 分别产生A峰B峰 测量并比较峰A与峰B的潜伏期 始潜时 波幅等指标 比较条件1与条件2的波形在头皮的分布 定位分析 五 结果分析 71 2脑地形图 脑电地形图是指将放大的脑电信号转换成一种既能定量 又能定性的脑波图形 可使大脑在某一时间的功能变化与形态定位有机地结合 脑地形图需要至少12导记录电极 理论上导数越多越好 目前已达到256导 根据脑电信号 EEG 频率地形图 针对不同的频段 包括 波 波 波 波和近年受到关注的40Hz脑电 ERP 波幅地形图 72 根据图形的色彩或形式 彩色地形图 Luo等 2000 Worldorff等 1997 灰度地形图 LuoTeder等 1993 73 74 根据维度 二维地形图三维地形图 75 实际头形地形图 精确地 实时地数字化描绘每个被试的电极位置和头颅形状 形象地显示三维地形图