ERP入门基本知识

ERP入门根本知识张明浩202104181内容构造一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研讨三、刺激呈现与数据处置四、波形的识别与结果解释五、面部识别的ERP研讨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，作用于觉得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〕，但成分复杂而不规那么。正常的自发脑电普通处于几微伏到75微伏之间。而由心思活动所引起的脑电比自发脑电更弱，普通只需2到10微伏，通常淹埋在自发电位中。所以ERP需求从EEG中提取。3EEG普通是由头皮外表电极记录得到的。它的谐波成分相当复杂，看上去是一种延续而不规那么的电位动摇。安康成年人在清醒形状下，头皮外表记录的EEG为数微伏至75微伏左右，但在病理形状下〔如癫痫发作时〕可达1毫伏以上。脑的心思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察看。仅从EEG也很难获得关于复杂认知的起始时间、继续时间、时间顺序等信息。实践上，在自发电位程度上，并没有察看到脑的心思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〔包括物理刺激和心思要素〕引起的脑电真实的实时波形，时间分辨率可准确至微秒级。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，只需神经元群的同步放电才干记录到。这种脑组织神经元陈列方向一致的情况，构成所谓的开放电场〔openfield〕，反之那么是方向不一致相互抵消的封锁电场〔closedfield〕。5开放电场与封锁电场图示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形状，但由于其神经元没有可以构成开放电场，ERP上也是反映不出来的。7影响ERP信号记录的其它要素除神经元的陈列方式外，记录点与神经元活动的间隔也会影响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。离头皮越远那么电位衰减越厉害，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：埋伏期恒定、波形恒定；与此相对，自发脑电那么是随机变化的。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叠加技术将由一样刺激引起的多段脑电进展多次叠加，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信号那么有两个恒定，所以不会被抵消，反而其波幅会不断添加，当叠加到一定次数时，ERP信号就显现出来了。10ERP分段叠加显示图111.4ERP是平均诱发电位叠加n次后的ERP波幅增大了n倍，因此需求再除以n，使ERP恢复原形，即复原为一次刺激的ERP数值。所以ERP也称为平均诱发电位，平均指的是叠加后的平均。这样就获得了所希望的事件相关电位波形图。因此，对于ERP研讨来说，为了提取事件相关脑电位变化，传统上不得不进展多次反复刺激〔次数记为n〕。如今，可以经过计算机叠加技术轻松实现上述过程。121.5ERP信号的优势与缺陷ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度可到达微秒级。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据，特别是反响时间〔RT〕很好地配合，以研讨认知加工过程的规律。经过叠加技术获得的与事件发生进程有锁时〔time-lock〕关系的脑电就称为事件相关电位〔ERP〕。13ERP的主要弱点在于低的空间分辨率，ERP在空间上只能到达厘米级，主要的影响要素是容积导体效应与封锁电场问题。另外，ERP只能采用数学推导来实现脑电的源定位，比如偶极子，这种方法的可靠性也是有限的。141.6头部定位系统ERP记录安装是一个电极帽，上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极，这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制定的10－20系统〔Jesper,1958〕确定的。每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况，掌握10－20系统是进展ERP学术交流的条件之一。1510－20系统的原那么是头皮电极点之间的相对间隔以10%与20%来确定，并采用两条件标志线。一条称为矢状线，是从鼻根到枕外隆凸的连线，从前向后标出5个点：Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz，Fpz之前与Oz之后线段长度占全长10%，其他各点间间隔均占全长的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际10—20脑电记录系统〔四〕导联方法矢状线冠状线17另一条称为冠状线，是两外耳道之间的连线，从左到右也标出5个点：T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外侧各占10%，其他各点间间隔均占全长20%。留意，Cz点是两条线的交汇点，常作为确定电极帽能否戴正的基准点。18二、主要ERP成分及经典研讨ERP的先驱研讨者经过四十多年的积累，发现了一些经典的ERP成分，在发现这些成分时所运用的一些研讨方法对于后来者有启发。其中与心思学研讨亲密相关的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV〔ContingentNegativeVariation〕关联负变。实验中，告知被试，他将得到两个信号〔声音或闪光等〕，他的义务是在第一个信号出现后开场预备反响，但并不反响，当出现第二个信号之后那么要尽快做出反响；两个信号之间的时间并不固定。结果发现，在两个信号之间，被试的脑电出现了负向偏转〔或负向变化，负变〕，这个脑电负向变化构成的类似高原的波形就是CNV，在被试完成按键反响后CNV就消逝了。20叠加12次，Cz点。A:短声,B:闪光,C:短声+闪光。前三种情况都不出现CNV.第四种情况下，令被试在闪光出现时尽快按键，按键即将闪光终止，只需这时才出现CNV.21这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在Nature〔203，380－384〕上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，普通只需几个，所以无法处理CNV的源定位问题。CNV被以为主要与心思要素有关。比如等待、意动、朝向反响、觉悟、留意、动机等，可以以为它根本上是一个综合的心思预备形状的反映，处于紧张或应急形状的反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年发现，发表在当年的Science〔150，1187－1188〕上。按照ERP的成分划分方法，根据埋伏期的差别，10ms内为早成分，10－50ms为中成分，50－500ms为晚成分，500ms以后那么称为慢波。P300显然属于晚成分。23Sutton等首先报告P300〔Science,1965〕24Oddball范式在发现P300时运用了一个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要点是，对同一觉得通道施加两种刺激，一种刺激出现概率很大，如85%，另一种刺激出现的概率很小，如15%。两种刺激以随机顺序出现，这样，对于被试来说，小概率刺激的出现具有偶尔性，由于它很少才出现一次，觉得有点怪〔Odd〕。但实验义务却要求被试关注小概率刺激，只需小概率刺激一出现就尽快做出反响。可见这里的靶刺激是小概率刺激。25Oddball范式表示图26在这种条件下，实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时察看到一个正波，称为P300，这个波在Pz点附近最高。研讨发现P300的波幅与所投入的心思资源量成正相关，其埋伏期随义务难度添加而变长。27P300与义务难度P300埋伏期随义务难度的添加而延伸实线：详细人名虚线：人名性别断线：出现的词中挑出“刺〞的反义词28P300反映的认知过程，一种解释以为，P300代表知觉义务的终了，即对所期盼的靶刺激或目的刺激做出有认识加工时，相关顶叶或内侧颞叶部位遭到激活，产生负电位，当加工终了时这些部位又遭到抑制，于是出现了P300。而Donchin〔1981〕以为，P300的埋伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间，而P300波幅反映的是任务记忆中表征的更新。后一种观念得到支持更多，这意味着P300也答应成为研讨高级认知过程，比如任务记忆的脑机制，特别是过程机制问题。29另外，P300也普遍存在于哺乳动物中，如老鼠、猫、猴等，这阐明P300能够代表着神经系统的某种根本活动。近年来准确脑定位手段，如fMRI，发现P300的脑内源不只一个，因此P300不是一个单纯的成分，与多种认知加工有关。如今，P300的概念发生了变化，许多埋伏期很不一样的波形也称为P300，这样就成了一个家族，称为晚正复合体〔latepositivecomplex〕。302.3MMNMMN〔mismatchnegativity〕译为失匹配负波，它的也是采用Oddball范式得到的。经典实验是这样的做的，在Oddball范式下，大约率刺激为1000Hz纯音，小概率刺激为800Hz纯音，分别在两只耳朵中出现，让被试进展双耳分听，只留意一只耳的声音，并对小概率刺激做出反响，不留意另一耳的声音。结果发现，无论留意与否，在约250ms内，小概率刺激均比大约率刺激引起更高的负波。以小概率刺激引起的ERP减去大约率刺激引起的ERP，会得到一个差别波，是一个存在100－250ms之间的明显的负波。31MMN图示32MMN与规范刺激/偏向刺激差别的关系：随偏向增大而增大。声强MMN，规范刺激为80db，偏向刺激分别为57db,70db,77db。33这一结果最早由Naatanen〔1978〕报告。随后的一系列研讨阐明，MMN反映的是人脑对刺激差别的无认识加工，即使在两种刺激都不加以留意的情况下也出现了MMN，这阐明人脑有对刺激间差别进展无认识加工的才干，或者说人脑可以对不同刺激自动地做出不同的反响。342.4N400N400，是研讨脑的言语加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这一篇报揭露表在当年的Science〔207，203－205〕上。他们经过屏幕向被试呈现一些句子，句子的每个单词从前往后是逐个出现的，先出现的几个句子都是正常的符合语法和语境的。在呈现句子时同步记录每个单词呈现后引起的脑电变化。35实验设计前几个句子都是正常的，最后一个句子的最后一个单词是明显畸义的。实验察看到在这个畸义词出现之后400ms左右出现了一个新的负成分，这就是N400。36语义畸异程度越大N400越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO…37目前普通以为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。但进一步研讨发现，与P300类似，N400也有许多子成分，分别与不同的认知过程相关，有彼此不同的脑内源。而且也发现N400不仅与言语加工有关，面孔、图画等非言语刺激也能诱发N400。38三、刺激呈现与数据处置实验程序采用Eprime软件编制。根本实验流程包括实时〔on-line〕刺激呈现、头皮脑电放大、模数转换〔数据采集〕以及实验终了后离线式〔off-line〕数据分析。数据的离线处置的程序：合并脑电数据与行为数据、去除眼电、分段、滤波、基线调整、排除伪迹、删除坏电极、平均叠加、保管、总平均，共10个步骤。39四、波形的识别与丈量得到一系列波形后，要从中识别不同成分以及成分所代表的心思意义是ERP研讨的技术难点。普统统过峰埋伏期、波形及其头皮分布，参照总平均图与相关研讨文献进展判别，而丰富的阅历也很重要。波幅丈量有基线－波峰和波峰－波峰两种，埋伏期常以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段代表。普通以为，波幅反映大脑的兴奋性高低，而埋伏期那么是神经活动与加工过程的速度与评价的时间。40-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0埋伏期基线——峰峰——峰414.1定性分析将不同事件〔条件〕引起的脑电波形加以比较，重点比较的内容包括：埋伏期、始潜时和波幅等目的，两种条件呵斥的波形在头皮上的分布情况，以及定位分析。然后进展源定位分析，包括脑地形图、偶极子定位等。42①设置条件1与条件2，分别产生A峰B峰。②丈量并比较峰A与峰B的埋伏期、始潜时、波幅等目的。③比较条件1与条件2的波形在头皮的分布。定性分析43相减技术相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与心思机制相关的ERP成分具有重要意义。444.2脑电地形图是将脑电信号转换成一种既能定量也能定性的脑波图形，可以将大脑在某一时间点上的功能变化与形状定位有机地结合起来〔将功能形状与激活形状结合起来〕。地形图中一样颜色的区域代表激活程度一样〔电压相等〕。要绘出脑地形图至少需求12导记录电极，实际上越多越好。脑电地形图可以看作大脑各部位的激活在头皮上的表现。地形图可分为二维〔平面〕地形图、三维〔立体〕地形图和实践头形地形图。45根据图形的颜色或方式，可将地形图分为：彩色地形图、灰度地形图、等高线地形图464.3偶极子定位偶极子〔dipole〕是由多对数值相等、符号相反的电荷，彼此相隔一定间隔时构成的体系。偶极子被以为是ERP的脑内源。在神经激动的传导过程中，在两个神经元之间的突触处构成负离子占优，在下一个