ER入门基本知识

ERP入门基本知识张明浩201204181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五、面部识别的ERP研究2一、ERP原理及提取技术ERP：eventrelatedpotentials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，在给予刺激或撤销刺激时，在脑区所引起的电位变化。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。3EEG一般是由头皮表面电极记录得到的。它的谐波成分相当复杂，看上去是一种连续而不规则的电位波动。健康成年人在清醒状态下，头皮表面记录的EEG为数微伏至75微伏左右，但在病理状态下（如癫痫发作时）可达1毫伏以上。脑的心理活动所产生的脑电信号通常比自发电位小，它被淹埋在自发电位中而难以观察。仅从EEG也很难获得关于复杂认知的起始时间、持续时间、时间顺序等信息。实际上，在自发电位水平上，并没有观察到脑的心理活动所产生的脑电信号本身。采用计算机叠加技术可将这种信号从自发电位中提取出来。这样提取出来的信号就是ERP。它是刺激事件（包括物理刺激和心理因素）引起的脑电真实的实时波形，时间分辨率可精确至微秒级。由于ERP是刺激诱发产生的，故又称诱发电位(evokedpotentials,简称EP)。41.1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6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。7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。81.2ERP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，可以将同一事件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）。91.3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分段段叠加加显示示图111.4ERP是平平均诱诱发电电位叠加n次后后的ERP波幅幅增大大了n倍，，因而而需要要再除除以n，使使ERP恢恢复原原形，，即还还原为为一次次刺激激的ERP数值值。所所以ERP也称称为平平均诱诱发电电位，，平均均指的的是叠叠加后后的平平均。。这样样就获获得了了所希希望的的事件件相关关电位位波形形图。。因此，，对于于ERP研研究来来说，，为了了提取取事件件相关关脑电电位变变化，，传统统上不不得不不进行行多次次重复复刺激激（次次数记记为n）。。现在在，可可以通通过计计算机机叠加加技术术轻松松实现现上述述过程程。121.5ERP信号号的优优势与与缺点点ERP是刺刺激事事件引引起的的实时时脑电电波，，在时时间精精度可可达到到微秒秒级。。极高高的时时间分分辨率率是ERP的主主要优优势，，ERP也也可以以和行行为数数据，，特别别是反反应时时间（（RT）很很好地地配合合，以以研究究认知知加工工过程程的规规律。。通过叠叠加技技术获获得的的与事事件发发生进进程有有锁时时（time-lock）关关系的的脑电电就称称为事事件相相关电电位（（ERP））。13ERP的主主要弱弱点在在于低低的空空间分分辨率率，ERP在空空间上上只能能达到到厘米米级，，主要要的影影响因因素是是容积积导体体效应应与封封闭电电场问问题。。另外外，ERP只能能采用用数学学推导导来实实现脑脑电的的源定定位，，比如如偶极极子，，这种种方法法的可可靠性性也是是有限限的。。141.6头部定定位系系统ERP记录录装置置是一一个电电极帽帽，上上面有有多个个记录录或吸吸收头头皮放放电情情况的的电极极，这这些电电极在在帽子子上的的位置置是根根据国国际脑脑电图图学会会1958制定定的10－－20系统统（Jesper,1958））确定定的。。每一个个电极极记录录到的的脑电电变化化代表表的是是特定定位置置头皮皮上的的放电电情况况，掌掌握10－－20系统统是进进行ERP学术术交流流的条条件之之一。。1510－－20系统统的原原则是是头皮皮电极极点之之间的的相对对距离离以10%与20%来确确定，，并采采用两两条件件标志志线。。一条称称为矢矢状线线，是是从鼻鼻根到到枕外外隆凸凸的连连线，，从前前向后后标出出5个个点：：Fpz、、Fz、Cz、、Pz、Oz，，Fpz之之前与与Oz之后后线段段长度度占全全长10%，其其余各各点间间距离离均占占全长长的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际10—20脑电记录录系统（四）导联方方法矢状线冠状线17另一条称为冠冠状线，是两两外耳道之间间的连线，从从左到右也标标出5个点：：T3、C3、Cz、C4、T4。。T3和T4外侧各占10%，其余余各点间距离离均占全长20%。注意，Cz点点是两条线的的交汇点，常常作为确定电电极帽是否戴戴正的基准点点。18二、主要ERP成分及经典研研究ERP的先驱研究者者经过四十多多年的积累，，发现了一些些经典的ERP成分，在发现现这些成分时时所使用的一一些研究方法法对于后来者者有启发。其中与心理学学研究密切相相关的成分主主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV（ContingentNegativeVariation）关联负变。。实验中，告告知被试，他他将得到两个个信号（声音音或闪光等）），他的任务务是在第一个个信号出现后后开始准备反反应，但并不不反应，当出出现第二个信信号之后则要要尽快做出反反应；两个信信号之间的时时间并不固定定。结果发现，在在两个信号之之间，被试的的脑电出现了了负向偏转（（或负向变化化，负变），，这个脑电负负向变化形成成的类似高原原的波形就是是CNV，在被试完成成按键反应后后CNV就消失了。20叠加12次，，Cz点。A:短声,B:闪光,C:短声声+闪光。前三种情况都都不出现CNV.第四种情况下下，令被试在在闪光出现时时尽快按键，，按键即将闪闪光终止，只只有这时才出出现CNV.21这个结果是1964年由Walter等发现的，当当年发表在Nature（203，380－384）上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由由于早期的头头皮记录点较较少，一般只只有几个，所所以无法解决决CNV的源定位问题题。CNV被认为主要与与心理因素有有关。比如期期待、意动、、朝向反应、、觉醒、注意意、动机等，，可以认为它它基本上是一一个综合的心心理准备状态态的反映，处处于紧张或应应急状态的反反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年发现，发表表在当年的Science（150，1187－1188）上。按照ERP的成分划分方方法，根据潜潜伏期的差异异，10ms内为早成分，，10－50ms为中成分，50－500ms为晚成分，500ms以后则称为慢慢波。P300显然属于晚成成分。23Sutton等首先报告告P300（（Science,1965）24Oddball范式在发现P300时使用了一个个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要要点是，对同同一感觉通道道施加两种刺刺激，一种刺刺激出现概率率很大，如85%，另一种刺激激出现的概率率很小，如15%。两种刺激以随随机顺序出现现，这样，对对于被试来说说，小概率刺刺激的出现具具有偶然性，，因为它很少少才出现一次次，感觉有点点怪（Odd）。但实验任任务却要求被被试关注小概概率刺激，只只要小概率刺刺激一出现就就尽快做出反反应。可见这这里的靶刺激激是小概率刺刺激。25Oddball范式示意意图26在这种条件下下，实验记录录到在小概率率刺激出现之之后300ms时观察到一个个正波，称为为P300，这个波在Pz点附近最高。。研究发现P300的波幅与所投投入的心理资资源量成正相相关，其潜伏伏期随任务难难度增加而变变长。27P300与任任务难度P300潜伏伏期随任务难难度的增加而而延长实线：具体人人名虚线：人名性性别断线：出现的的词中挑出““刺”的反义义词28P300反映的认知过过程，一种解解释认为，P300代表知觉任务务的结束，即即对所期盼的的靶刺激或目目标刺激做出出有意识加工工时，相关顶顶叶或内侧颞颞叶部位受到到激活，产生生负电位，当当加工结束时时这些部位又又受到抑制，，于是出现了了P300。而Donchin（1981）认为，P300的潜伏期反映映的是对刺激激物的评价或或分类所需的的时间，而P300波幅反映的是是工作记忆中中表征的更新新。后一种观观点得到支持持更多，这意意味着P300也许可成为研研究高级认知知过程，比如如工作记忆的的脑机制，特特别是过程机机制问题。29另外，P300也普遍存在于于哺乳动物中中，如老鼠、、猫、猴等，，这说明P300可能代表着神神经系统的某某种基本活动动。近年来精确脑脑定位手段，，如fMRI，发现P300的脑内源不只只一个，因而而P300不是一个单纯纯的成分，与与多种认知加加工有关。现现在，P300的概念发生了了变化，许多多潜伏期很不不相同的波形形也称为P300，这样就成了了一个家族，，称为晚正复复合体（latepositivecomplex）。302.3MMNMMN（mismatchnegativity）译为失匹配配负波，它的的也是采用Oddball范式得到的。。经典实验是是这样的做的的，在Oddball范式下，大概概率刺激为1000Hz纯音，小概率率刺激为800Hz纯音，分别在在两只耳朵中中出现，让被被试进行双耳耳分听，只注注意一只耳的的声音，并对对小概率刺激激做出反应，，不注意另一一耳的声音。。结果发现，无无论注意与否否，在约250ms内，小概率刺刺激均比大概概率刺激引起起更高的负波波。以小概率率刺激引起的的ERP减去大概率刺刺激引起的ERP，会得到一个个差异波，是是一个存在100－250ms之间的明显的的负波。31MMN图示32MMN与标准准刺激/偏差差刺激差异的的关系：随偏偏差增大而增增大。声强MMN，标准准刺激为80db，偏差差刺激分别为为57db,70db,77db。33这一结果最早早由Naatanen（1978）报告。随后后的一系列研研究表明，MMN反映的是人脑脑对刺激差异异的无意识加加工，即使在在两种刺激都都不加以注意意的情况下也也出现了MMN，这说明人脑脑有对刺激间间差异进行无无意识加工的的能力，或者者说人脑能够够对不同刺激激自动地做出出不同的反应应。342.4N400N400，是研究脑的的语言加工原原理的常用ERP成分，最早由由Kutas于1980年报告，这一一篇报告发表表在当年的Science（207，203－205）上。他们通通过屏幕向被被试呈现一些些句子，句子子的每个单词词从前往后是是逐个出现的的，先出现的的几个句子都都是正常的符符合语法和语语境的。在呈呈现句子时同同步记录每个个单词呈现后后引起的脑电电变化。35实验设计前几几个句子都是是正常的，最最后一个句子子的最后一个个单词是明显显畸义的。实实验观察到在在这个畸义词词出现之后400ms左右出现了一一个新的负成成分，这就是是N400。36语义畸异异程度越越大N400越越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO……37目前一般般认为N400与长时记记忆的语语义信息息的提取取有关。。但进一一步研究究发现，，与P300相似，N400也有许多多子成分分，分别别与不同同的认知知过程相相关，有有彼此不不同的脑脑内源。。而且也也发现N400不仅与语语言加工工有关，，面孔、、图画等等非语言言刺激也也能诱发发N400。38三、刺激激呈现与与数据处处理实验程序序采用Eprime软件编制制。基本实验验流程包包括实时时（on-line）刺激呈呈现、头头皮脑电电放大、、模数转转换（数数据采集集）以及及实验结结束后离离线式（（off-line）数据分分析。数据的离离线处理理的程序序：合并并脑电数数据与行行为数据据、去除除眼电、、分段、、滤波、、基线调调整、排排除伪迹迹、删除除坏电极极、平均均叠加、、保存、、总平均均，共10个步步骤。39四、波形形的识别别与测量量得到一系系列波形形后，要要从中识识别不同同成分以以及成分分所代表表的心理理意义是是ERP研究的技技术难点点。一般般通过峰峰潜伏期期、波形形及其头头皮分布布，参照照总平均均图与相相关研究究文献进进行判断断，而丰丰富的经经验也很很重要。。波幅测量量有基线线－波峰峰和波峰峰－波峰峰两种，，潜伏期期常以刺刺激起始始点到波波峰顶点点之间的的时间段段代表。。一般认认为，波波幅反映映大脑的的兴奋性性高低，，而潜伏伏期则是是神经活活动与加加工过程程的速度度与评价价的时间间。40-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期基线———峰峰——峰峰414.1定定性分分析将不同事事件（条条件）引引起的脑脑电波形形加以比比较，重重点比较较的内容容包括：：潜伏期期、始潜潜时和波波幅等指指标，两两种条件件造成的的波形在在头皮上上的分布布情况，，以及定定位分析析。然后进行行源定位位分析，，包括脑脑地形图图、偶极极子定位位等。42①设设置条件件1与条条件2，，分别产产生A峰峰B峰。。②测测量并比比较峰A与峰B的潜伏伏期、始始潜时、、波幅等等指标。。③比比较条件件1与条条件2的的波形在在头皮的的分布。。定性分析析43相减技术术相减技术术的运用用，对于于提取更更为纯粹粹的、与与心理机制制相关的的ERP成分具具有重要要意义。。444.2脑脑电地地形图是将脑电电信号转转换成一一种既能能定量也也能定性性的脑波波图形，，可以将将大脑在在某一时时间点上上的功能能变化与与形态定定位有机机地结合合起来（（将功能能状态与与激活状状态结合合起来））。地形形图中相相同颜色色的区域域代表激激活程度度相同（（电压相相等）。。要绘出出脑地形形图至少少需要12导记录电电极，理理论上越越多越好好。脑电地形形图可以以看作大大脑各部部位的激激活在头头皮上的的表现。。地形图图可分为为二维（（平面））地形图图、三维维（立体体）地形形图和实实际头形形地形图图。45根据图形形的色彩彩或形式式，可将将地形图图分为：：彩色地地形图、、灰度地地形图、、等高线线地形图图464.3偶偶极子子定位偶极子（（dipole）是由多多对数值值相等、、符号相相反的电电荷，彼彼此相隔隔一定距距离时形形成的体体系。偶偶极子被被认为是是ERP的脑内源源。在神经冲冲动的传传导过程程中，在在两个神神经元之之间的突突触处形形成负离离子占优优，在下下一个神神经元的的顶树突