ERP的实验设计与数据处理培训教材

1、ERP的实验设计与数据处理一、实验验范式经典范式式: Oddball,Go-Nogo注意:听觉,视觉记忆:学习-再认社会认知知经典范式式1-OddballOddball实验模式式是指采采用两种种或多种种不同刺刺激持续续交替呈呈现，它它们出现现的概率率显著不不同组成标准刺激激(standardstimuli)大概率偏差刺激激(deviantstimuli)小概率令被试对对偏差刺刺激进行行反应，因此该该偏差刺刺激称为为靶刺激激（Target）或目标标刺激。诱发P300、MMN等与刺激激概率有有关的ERP成分时的的经典实实验模式式。标准刺激激靶靶刺激激非非靶刺激激刺刺激缺失失新新奇刺刺激ABCD跨通

2、路延延迟反应应范式Task 1：AttendingPicture,IgnoringTonePictureToneToneRedCrossDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignalTask 2：AttendingTone,IgnoringPictureTonePictureClickDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal(0-2 trial)(0-2 trial)经典范式式2-Go-Nogo两种刺激激的概率率相等Go刺激令被试反反应的刺刺激，即即靶刺激激Nogo刺激不需被试试反

3、应的的刺激特点：排排除了刺刺激概率率对ERP的影响；由于没没有大小小概率之之分，大大大节省省了实验验时间，但也丢丢掉了因因大、小小概率差差异而产产生的ERP成分注意的实实验范式式双耳分听听空间注意意: Cue- Target提示范围围的分级级鸡尾酒会会效应与与双耳分分听(Chrry, 1953)Hillyard,1975,ScienceMangun&Hillyard,1991ValidCueInvalidNeutral经典的中中央性提提示固定注视视点1400 ms提示箭头头200-500 ms目标50ms屏蔽200ms(Lucketal.,1994)Validvs.InvalidValidvs

4、.NeutralInvalid vs.Neutral间隔对P1效应的影影响(Grorge &Mangun,1998)注意左侧侧，多靶靶（16%）；注注意右侧侧，多靶靶（16%）；注注意左侧侧，少靶靶（2%）；注注意右侧侧，少靶靶（2%）；被被动（2%无关刺激激）（Woldorffetal., 1997）靶刺激在下视野对侧的背背侧枕区区、18/19区（MartinezHillyard,1999，2001）刺激为白白色直立立的T（占86）和倒倒置的T（靶刺激激14 ），被9个十字所所包围，并叠加加在灰色色的棋盘盘格上以等概率率随机出出现在左左侧视野野（LVF）或右侧侧视野（RVF）。任务是持持续注

5、视视中央箭箭头并按按键报告告箭头所所指注意意侧的靶靶刺激，并忽视视注意侧侧对面的的刺激物物。C1无注意效效应注意效应应发生在在早期P1、晚期P1和N1注意时其其波幅增增大300ms1500msTimeCUESIZESmallMediumLargeSOA(ms)230-350(Short)500-650(Medium)800-950 (Long)FixationPrecueSearchArray不同范围围等级提提示的空空间注意意实验范范式(Luo et al,Cogn Brain Res,2001)ERPinShortSOASmallMedianLargeP1(80ms)LargeMedianS

6、mallN1(160 ms)CueSearchArrayP1(100 ms)N1(160 ms)Pressthekey，discriminatethedirection of theverticalcrescentISI:Short400-600msLong600-800ms固定区域域提示下下的注意意效应其他相关关实验干扰刺激激位置对对视觉空空间注意意影响干扰位于于小圈干干扰扰位于中圈干干扰位于于大圈该范试的的特点为为干扰刺刺激均位位于同一一个圈。与靶刺刺激特征征相同内部干扰扰外部干扰扰内部/外部干扰扰可以检测测被试在在分心物物存在条条件下注注意力的的集中程程度记忆的实实验范式式经典范式式:学

7、习-再认运动知觉觉的启动动元记忆A.StudyPhase(14faces,SOA 3s,duration1s)B.Test Phase (28faces,repeated50%,SOA3.2s,duration1s)理张理舒TimeLearningStageTestStageOldNew1stPresentTypical Proceduresms-1002004006008001000 ms0.0-2.02.04.06.08.010.0Vms-1002006008001000 ms-2.02.04.06.08.010.0V-1002004006008001000 ms-2.02.04.06.0

8、8.010.0VC3CzC4High FrequencyLowFrequencyEncodingeffects on higher-&lower-wordfrequency(Chinese)P180N350LPC110ms146ms166ms275ms498ms600ms650ms750ms114ms182ms234ms380ms486ms650ms680ms750ms听觉汉字字视觉汉字字第一阶段段感觉第第二阶段段知觉第第三阶段段语言Chen &Luo,2003,NeuroImage汉字的记记忆编码码-10020040060080010000.0-1.0-2.02.04.06.08.010.0

9、-2.02.04.06.08.010.00.0-2.02.04.06.08.010.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.0-100200400600800.0900.01000.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.0FzCzPzOldNewDiff(Old-New)HigherFreq.LowerFreq.Test StageP180N350LPC单次运动动实验模模式示意意图（a）与单次运运动产生生的ERP总平均图图（b）特定方向向二二义义左右右左左右(0- 90) (0 -270

10、) (0 -180)F1F2向右运动动二义运动动向左运动动F1F2F3启动目标间隔隔(200,400, and1000 ms)二义-目标特特定-目标(实验)(对照)启动目标(0-90-270)(0-90-0)特定方向向二义方向向双次运动动的实验验模式示示意图（a）双次运动动产生的的ERP总平均图图（b）强启动弱启动无启动实验对照P1P32个相反的的特定方向向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+内侧顶叶叶Z=3.09Z=13.11ab实验组与与对照组组相减的的差异波波地形图图（a）和fMRI结果(b),

11、jiangLuoetal, 2002RT(ms)%Same DirectionJudgements2004001000msPrimingReversalPrimingReversalinYoungin Youngin OldinOld2004001000msBehavioral DataTheperceived rateinthe samedirectionintheyoungwas higherthan in theoldsubjects,F1,22= 4.727,p .05.TheRTprolonged withintervalincreasedonly forpriming condit

12、ioninboth youngandold subjects,F2,44= 5.711,p .012、无意识识启动运运动知觉觉的老年年化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+内侧顶叶叶Z=3.09Z=13.11ab首次确定定视运动动知觉的的启动效效应在刺刺激后98ms首先激活活视觉初初级皮层层后续活动动（400ms左右）发发生在内内侧颞叶叶、颞上上回、顶顶叶等更更广泛的的脑区运动知觉觉启动与与工作记记忆0-90-1800-90-0Same DirectionOppositeDirection1stMot

13、ion2ndMotionTimeSOA: 200ms各种条件件下的启启动效应应0-90-2700-180- 90 0-180-0 UnambiguousAmbiguousAmbiguousAmbiguousUnambiguousAmbiguous元记忆的的研究方方法实验分三三个步骤骤进行记忆一系系列词对对，例如如“项目大臣”呈现前面面的线索索词(项目？)，让被试试回忆后后面的靶靶子词(“大臣”)在他们回回忆不出出来的情情况下，令他们们判断自自己是否否对那个个不能成成功回忆忆的词有有一种“知道感”通过一项项再认测测验来检检验其“知道感”是否准确确元记忆的的脑机制制“知道感”记忆导致致大量的的脑活

14、动动（额叶叶区），而“不知道感感”项目则只只伴随有有少量脑脑活动。知道感可可能是基基于一个个部分信息息提取和元元记忆判判断过程程；而不不知道感感则可能能基于一一个线索熟悉悉性的脑活动状状态，即即一无所所获而获获得不知知道感。对“知道感”的认知与与大脑机机制的探探索，可可为人工工智能研研究提供供有益启启示。Luoetal, 2003, ChinSci Bull社会认知知的研究究情绪与注注意情绪与记记忆欺骗的心心理过程程情绪对注注意的影影响1500ms(Probe)延迟样本本匹配：由“目标（target）-延迟(delay)-探测（probe）”三个阶段段构成的的试验单单元。实验范式式(Stern

15、berg,1966)2000ms1000ms(target）1500ms(delay)1500ms(Probe)词语工作记忆任务A B+R T+a空间工作记忆任务2000ms1000ms(target）1500ms(delay)+实验程序序实验分2 sessions；一个只只呈现负负性图片片以诱发发负性情情绪，另另一个只只呈现中中性情绪绪作为对对照。5blocks/ session，32trails/ block32个trails里16个空间任任务16个词语任任务，随随机出现现。(即每种条条件80个trails)欺骗意图图的实验验范式将欺骗过过程分成成三个阶阶段：欺骗动机机形成、做出欺欺骗反应

16、应、欺骗骗结果的的评价(买晓琴，博士论论文，2005)动机形成成阶段ms-2003008001300180023002800V-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5-2003008001300180023002800-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5FCz ms-2003008001300180023002800-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5 VVms强迫欺骗骗强迫诚实实强迫自愿自愿欺骗骗自愿诚实实结果评价价阶段欺骗组与与简单组组比较-2+3差异波-100100300500700-5-10-1551015202

17、5FCz-100100300500700-5sV290ms-15 V0300ms欺骗组简单反应应组二、刺激激序列的的问题刺激呈现现时间刺激间隔隔消除重叠叠成分1刺激呈现现时间刺激呈现现时间长长度与任任务难度度成反比比当呈呈现时间间短到一一定程度度，例如如视觉刺刺激在40ms以下，人人就不能能主观感感觉到这这个刺激激，可利利用此特特性进行行非意识识的启动动研究撤反反应即即刺激激物消失失也能导导致ERP波形的微微小改变变。避免免撤反应应的措施施一是将将刺激呈呈现时间间适当延延长或缩缩短，二二是利用用相减技技术2刺激间隔隔SOAstimulusonsetasynchr

18、onyISIinterstimulus intervalOnsetOffset短间隔将将导致ERP成分，特特别是早早期成分分的重叠叠预留留足够被被试完成成作业的的反应时时间间隔隔过长可可能浪费费硬盘空空间，并并延长不不必要的的实验时时间刺激激间隔与与任务难难度成反反比。3消除相邻邻刺激的重重叠成分分1）高通通滤波（high-passfiltering）增加频频带宽度度低端频频率响应应，可以以减弱ERP在较长潜潜伏期、较低频频率的部部分。如如果仅对对早期高高频成分分，例如如听觉脑脑干诱发发电位感感兴趣，即可采采用此法法（高通通为50150Hz）。2）低通滤滤波(Low-passfilter)采用

19、不同同间隔随随机化，可以部部分消除除邻近的的ERP重叠成分分，又叫叫Jitter法。130-190 ms125-275 ms120-320 msERP数据处理理(一)脑电数据据的采集集与记录录1步骤设置或修修改脑电电记录文文件（SETUP文件），根据下下述记录录参数。电极安放放戴电极帽帽。记录（record）。保存记录录文件(save)2记录参数数放大倍数数对脑电的的放大倍倍数至少少在5万倍以上上，注意意对EOG的放大倍倍数应减减小1半或2/3。分析时间间(epoch)与基线(baseline)根据实验验模式和和研究目目的设定定分析时时间，多多在1000ms左右，刺刺激发生生前的基基线常为为1

20、00200ms。频带宽度度(bandpass)使其仅够够放大拟拟研究的的ERP信号，则则落在频频带外的的噪音与与干扰信信号不被被放大，达到排排除目的的。频带带宽度的的高通一一般为0.010.1Hz，低通为为40100Hz。皮肤阻抗抗应使其低低于5 k。每个记记录点的的脑电位位均需与与参考点点的电位位进行比比较而得得到电位位差，因因而此处处的皮肤肤阻抗尤尤需降到到尽可能能低的程程度。采样频率率（A/DRate）与时间间分辨率率成正比比。例如如250Hz的采样频频率,时间分辨辨率为4ms。(二)波形平均均与叠加加提取并打打开连续续脑电文文件合并任务务数据消除眼电电伪迹对脑电分分段(Epoch)滤波

21、(filter)基线校正正(baselinecorrect)排除伪迹迹平均(average)保存 1波形识别别波形判断断：从一一系列波波形中判判断有关关成分，是ERP研究的一一个技术术难关。可根据峰峰潜伏期期、波形形、及其其头皮分分布，参参照总平平均图与与文献进进行判断断，丰富富的经验验也是一一个重要要的因素素。(三)波形识别别与测量量2波峰测量量波幅测量量峰峰，基线线峰峰潜伏期期测量起始时间间(始潜时)的测量-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期基线峰峰峰FzC3C4CzT5T6P3P4OROLPzOzO1O2- 5mv+600ms3平均波幅幅测量适用：

22、信信噪比不不太好的的波形，如差异异波固定法或或连续测测量法：如间隔隔20、50、100和150ms。较客观观、标准准统一，便于测测量及比比较；但但在个体体差异大大时，数数据可靠靠性较差差。具体法或或间断法法 根据据总平均均图确定定某一成成分的时时间窗口口。根据据总平均均图而定定，针对对性较强强，但主主观性较较大，不不利于比比较。4相减相减技术术的运用用，对于于提取更更为纯粹粹的、与与心理机机制相关关的ERP成分具有有重要意意义。1、统计分分析的设设计描述性统统计均值标准差、均值标准误T检验方差分析析重复测量量的多因因素方差差分析（RepeatedmeasuresANOVA）(四)统计分析析Od

23、dball实验，记记录32导脑电概率（2：大、小小概率）记录点（32）Cross-ModalDelayed ResponseTask 1：AttendingPicture,IgnoringTonePictureToneToneRed CrossDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignalTask 2：AttendingTone,IgnoringPictureTonePictureClickDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal(0-2 trial)(0-2 trial)可以得到

24、到哪些ERP成分？怎样设计计统计分分析？22212听觉通道道与视觉觉通道（2）注意与非非注意（2）标准刺激激与偏差差刺激（2）记录点（选取12个点）听觉视觉注意意非非注意记忆痕迹迹的失匹匹配机制制通路特异异性，而形成成痕迹的的机制通路上机机制据此提出出注意早早晚选择择因条件件而异的的注意过滤滤器可塑塑性假说说1定性分析析设置条件件1与条件2，分别产产生A峰B峰。 测量量并比较较峰A与峰B的潜伏期期、始潜潜时、波波幅等指指标。 比较较条件1与条件2的波形在在头皮的的分布。定位位分析。(五)结果分析析2脑地形图图脑电地形形图是指指将放大大的脑电电信号转转换成一一种既能能定量、又能定定性的脑脑波图形

25、形，可使使大脑在在某一时时间的功功能变化化与形态态定位有有机地结结合。脑地形图图需要至至少12导记录电电极，理理论上导导数越多多越好，目前已已达到256导。根据脑电电信号：EEG频率地形形图，针针对不同同的频段段，包括括波、波、波、波和近年年受到关关注的40Hz脑电；ERP波幅地形形图根据图形形的色彩彩或形式式：彩色地形形图(Luo等, 2000; Worldorff等, 1997)、灰度地形形图（Luo&Wei, 1999）、等高线地地形图(Mangun,1995;Teder等, 1993）根据维度度：二维地形形图三维地形形图实际头形形地形图图：精确确地、实实时地数数字化描描绘每个个被试的的电极位位置和头头颅形状状，形象象地显示示三维地地形图面孔识别别的P170成分分布布3源分析极性翻转转颅内与头头皮电位位的极性性翻转：在早期期的生理理学研究究中，将将电极直直接插入入海马、海马旁旁回和杏杏仁核，记录到到波幅较较大的极极性翻转转的电位位，其潜潜伏期与与头皮记记录的顶顶部P300一致。俄国科学学家用颅颅内电极极在Parkinson病人颞叶叶叶直接接记录到到听觉MMN(Kropotov等, 1995)。在动物物实验中中也多次次证实。Ntnen（1992