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1、ERP入门基本知识张明浩2012 04181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：event related potentials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
2、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
3、。由于ERP是刺激诱发产生的，故又称诱发电位(evoked potentials,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（open field），反之则是方向不一致相互抵消的封闭电场（closed field）。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
4、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。81.2 ERP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
5、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分段叠加显示图111.4 ERP是平均诱发电位叠加n次后的ERP波幅增大了n倍，因而需要再除以n，使ERP恢复原形，即还原为一次刺激的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研究来说，为了提取事件相关脑电位变化，传统上不得不进行多次重复刺激（次数记为n）。现在，可以通过计算机叠加技术轻松实现上述过程。121.5ERP信号的优势与缺点ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度可达到微秒级。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，
6、ERP也可以和行为数据，特别是反应时间（RT）很好地配合，以研究认知加工过程的规律。通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，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记录装置是一个电极帽，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1020系统（Jesper,1958）确定的。每一个电极记录到的脑
7、电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况，掌握1020系统是进行ERP学术交流的条件之一。15 1020系统的原则是头皮电极点之间的相对距离以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%，其余各点间距离均占全长的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际1020脑电记录系统（四）导联方法（四）导联方法矢状线矢状线冠状线冠状线17 另一条称为冠状线，是两外耳道之间的
8、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%，其余各点间距离均占全长20%。注意，Cz点是两条线的交汇点，常作为确定电极帽是否戴正的基准点。18二、主要ERP成分及经典研究ERP的先驱研究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使用的一些研究方法对于后来者有启发。其中与心理学研究密切相关的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV（Contingent Negative Variation）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），他的任务是在第一个信号出现后开始准备反应，但并
9、不反应，当出现第二个信号之后则要尽快做出反应；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），这个脑电负向变化形成的类似高原的波形就是CNV，在被试完成按键反应后CNV就消失了。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，只有这时才出现CNV.21这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在Nature（203，380384）上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，一般只有几个，所以无法解决CNV的源定
10、位问题。CNV被认为主要与心理因素有关。比如期待、意动、朝向反应、觉醒、注意、动机等，可以认为它基本上是一个综合的心理准备状态的反映，处于紧张或应急状态的反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年发现，发表在当年的Science（150，11871188）上。按照ERP的成分划分方法，根据潜伏期的差异，10ms内为早成分，1050ms为中成分，50500ms为晚成分，500ms以后则称为慢波。P300显然属于晚成分。23SuttonSutton等首先报告等首先报告P300 P300（ScienceScience,1965 ,1965）24Oddball范式在
11、发现P300时使用了一个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要点是，对同一感觉通道施加两种刺激，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然性，因为它很少才出现一次，感觉有点怪（Odd）。但实验任务却要求被试关注小概率刺激，只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。可见这里的靶刺激是小概率刺激。25Oddball范式示意图26在这种条件下，实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波，称为P300，这个波在Pz点附近最高。研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相
12、关，其潜伏期随任务难度增加而变长。27P300P300与任务难度与任务难度P300P300潜伏期随任潜伏期随任务难度的增加而务难度的增加而延长延长实线：具体人名实线：具体人名虚线：人名性别虚线：人名性别断线：出现的词中挑断线：出现的词中挑出出“刺刺”的反义词的反义词28P300反映的认知过程，一种解释认为，P300代表知觉任务的结束，即对所期盼的靶刺激或目标刺激做出有意识加工时，相关顶叶或内侧颞叶部位受到激活，产生负电位，当加工结束时这些部位又受到抑制，于是出现了P300。而Donchin（1981）认为，P300的潜伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间，而P300波幅反映的是工作记忆中
13、表征的更新。后一种观点得到支持更多，这意味着P300也许可成为研究高级认知过程，比如工作记忆的脑机制，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，这说明P300可能代表着神经系统的某种基本活动。近年来精确脑定位手段，如fMRI，发现P300的脑内源不只一个，因而P300不是一个单纯的成分，与多种认知加工有关。现在，P300的概念发生了变化，许多潜伏期很不相同的波形也称为P300，这样就成了一个家族，称为晚正复合体（late positive complex）。302.3MMNMMN（mismatch negativity）译为失匹配负波，它的也是采用Oddb
14、all范式得到的。经典实验是这样的做的，在Oddball范式下，大概率刺激为1000Hz纯音，小概率刺激为800Hz纯音，分别在两只耳朵中出现，让被试进行双耳分听，只注意一只耳的声音，并对小概率刺激做出反应，不注意另一耳的声音。结果发现，无论注意与否，在约250ms内，小概率刺激均比大概率刺激引起更高的负波。以小概率刺激引起的ERP减去大概率刺激引起的ERP，会得到一个差异波，是一个存在100250ms之间的明显的负波。31MMN图示32MMNMMN与标准刺激与标准刺激/偏差刺激差异的关系：随偏差增偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强大而增大。声强MMNMMN，标准刺激为，标准刺激为80
15、db80db，偏差刺激分别，偏差刺激分别为为57db,70db,77db57db,70db,77db。33这一结果最早由Naatanen（1978）报告。随后的一系列研究表明，MMN反映的是人脑对刺激差异的无意识加工，即使在两种刺激都不加以注意的情况下也出现了MMN，这说明人脑有对刺激间差异进行无意识加工的能力，或者说人脑能够对不同刺激自动地做出不同的反应。342.4N400N400，是研究脑的语言加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这一篇报告发表在当年的Science（207，203205）上。他们通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
16、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。实验观察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：THE PIZZA WAS TOO HOT TO 37目前一般认为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。但进一步研究发现，与P300相似，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不仅与语言加工有关，面孔、图画等非语言刺激也能诱发N400。38三、刺激呈现与数据处理实验程序
17、采用Eprime软件编制。基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）以及实验结束后离线式（off-line）数据分析。数据的离线处理的程序：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、保存、总平均，共10个步骤。39四、波形的识别与测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理意义是ERP研究的技术难点。一般通过峰潜伏期、波形及其头皮分布，参照总平均图与相关研究文献进行判断，而丰富的经验也很重要。波幅测量有基线波峰和波峰波峰两种，潜伏期常以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段代表。一般认为，波幅反映大
18、脑的兴奋性高低，而潜伏期则是神经活动与加工过程的速度与评价的时间。40-200200400600800 ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期基线基线峰峰峰峰峰峰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：潜伏期、始潜时和波幅等指标，两种条件造成的波形在头皮上的分布情况，以及定位分析。然后进行源定位分析，包括脑地形图、偶极子定位等。42 设置条件设置条件1 1与条与条件件2 2，分别产生，分别产生A A峰峰B B峰。峰。测量并比较峰测量并比较峰A A与峰与峰B B的潜伏期、始潜的潜伏期、始潜时、波幅等指标。时、波幅等指标。比较条件比较条件1 1与
19、条与条件件2 2的波形在头皮的分的波形在头皮的分布。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、与相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与心理机制相关的心理机制相关的ERPERP成分具有重要意义。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态定位有机地结合起来（将功能状态与激活状态结合起来）。地形图中相同颜色的区域代表激活程度相同（电压相等）。要绘出脑地形图至少需要12导记录电极，理论上越多越好。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
20、际头形地形图。45根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩色地形图、灰度地形图、等高线地形图色地形图、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，彼此相隔一定距离时形成的体系。偶极子被认为是ERP的脑内源。在神经冲动的传导过程中，在两个神经元之间的突触处形成负离子占优，在下一个神经元的顶树突处形成一个纯粹的细胞外负电位，同时在此神经元的其它部分（细胞体和基底树突）又形成一个纯粹的正成分，这样就构成了一个微小的电流偶极子。47偶极子产生原理示意48当刺激引起大脑某部位激活时，多个相同方式激活的神经元所
21、构成的电流偶极子将累加，这样将形成一个大偶极子其电位将通过大脑的传导到达头皮，虽受到脑脊膜和颅骨的阻抗，但仍可在头皮记录到。4930 mm2=5.55.5 mm2 Size of Macroscopic Neural ActivityEquivalent Current Dipole(Primary current)(50 nAm)parameters:position :x,y,zdirection :q,fmagnitude:m+-cell bodysinksourcesynapse-+Equivalent current dipole model:cortexMicroscopic current flow(510-5 nAm)50ERP在头皮记录到的就是这种脑电信号。通过逆运算（inverse operation），即根据结果来估计原因，从头皮记录到的脑电情况来逆推其发生源，因而偶极子的确定严重依赖于算法，由于导联数目的限制和脑电在脑内传导时衰减和扩散，其准确性受到影响。51五、面孔识别的ERP特征成分5253实例研究5455演讲完毕，谢谢观看！