事件相关电位基本知识

事件相关事件相关电位基本知位基本知识事件相关事件相关电位基本知位基本知识内容内容结构构一、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一、一、ERP原理及提取技原理及提取技术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。1.1 开放开放电场 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）。开放开放电场与封与封闭电场图示示因此，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。影响影响ERP信号信号记录的其它因素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。1.2 ERP的两个重要特征的两个重要特征 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，可以将同一事实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）。1.3 叠加技叠加技术 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。ERP分段叠加分段叠加显示示图1.4 ERP是平均是平均诱发电位位叠加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。1.5ERP信号的信号的优势与缺点与缺点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，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）。ERP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。1.6头部定位系部定位系统 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。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%。Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际1020脑电记录系统（四）（四）导联方法方法矢状矢状线冠状冠状线 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。二、主要二、主要ERP成分及成分及经典研究典研究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。2.1CNVCNV（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。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.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。2.2P300及及Oddball范式范式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。SuttonSutton等首先等首先报告告P300 P300（ScienceScience,1965 ,1965）Oddball范式范式在发现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。Oddball范式示意范式示意图在这种条件下，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关，其潜伏期随任务难度增加而变长。P300P300与任与任务难度度P300P300潜伏期随任潜伏期随任务难度的增加而延度的增加而延长实线：具体人名：具体人名虚虚线：人名性：人名性别断断线：出：出现的的词中挑出中挑出“刺刺”的反的反义词P300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。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）。2.3MMNMMN（mismatch negativity）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。MMN图示示MMN与标准刺激/偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强MMN，标准刺激为80db，偏差刺激分别为57db,70db,77db。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。2.4N400N400，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。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是明显畸畸义的。的。实验观察到在察到在这个畸个畸义词出出现之后之后400ms左右出左右出现了一个新的了一个新的负成分，成分，这就是就是N400。语义畸异程度越大N400越大：THE PIZZA WAS TOO HOT TO 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。三、刺激呈三、刺激呈现与数据与数据处理理实验程序采用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。E-Prime简介E-Prime是是实现心理心理实验计算机化的一个可算机化的一个可视化化编程程语言平台，是一个涵盖言平台，是一个涵盖实验生成到毫秒精度的生成到毫秒精度的数据收集分析的数据收集分析的应用用软件套装。件套装。功能：功能：实验设计、生成、运行、收集数据、生成、运行、收集数据、编辑和和预处理分析数据理分析数据Eprime的的优点点E-PrimeE-Prime能呈能呈现的刺激可以是文本、的刺激可以是文本、图像和声音（可以同像和声音（可以同时呈呈现三者的任意三者的任意组合）合）提供了提供了详细的的时间信息和事件信息和事件细节（包括呈（包括呈现时间、反、反应时间的的细节），可供），可供进一步分析，有助于了解一步分析，有助于了解实际实验运行运行的的时间问题专门面向心理面向心理实验，并，并针对心理心理实验的的时间精度作了精度作了优化。刺激呈化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达毫秒与屏幕刷新同步，精度可达毫秒相相对于于传统编程程语言，言，E-PrimeE-Prime易学易用，易学易用，实验生成快速生成快速E-Studio-InterfaceE-Studio E-Studio E-Studio E-Studio 由四个部分由四个部分由四个部分由四个部分组组成成成成:1.Toolbox1.Toolbox2.Structure View2.Structure View3.Properties Window3.Properties Window4.Workspace 4.Workspace ERPERPERPERP实验实验流程流程流程流程3.1合并行合并行为数据与数据与脑电数据（数据（merge task data）首先要保证在数据记录时实验过程得到完整记录，即以时间进程为轴，使行为反应和脑电变化得到同步记录，实现锁时（lock time），这也是事件相关脑电的本质含义。如果行为数据与EEG数据不能同步匹配，则不能按行为操作进行平均与分析。正确合并两种数据之后，就可以根据不同标准对数据进行分类，比如，可以看看造成被试行为反应正确或错误的刺激引起的同步脑电变化是怎样的，就可根据正确或错误的反应进行分段，实现这种分析比较。3.2减少眼减少眼电伪迹（迹（Ocular artifact reduction）眼电（EOG）是最常见的伪迹，对EEG影响很大，越往头皮前部越显著。减少眼电的方法一是删除，一是校正，由于删除EOG也会删掉其他各导有用的数据，因此多采用校正的方法。眼电校正的方法有多种，但原理都是从EEG中减去EOG。一般步骤如下：找到眼动电位的最大值，构建一个平均伪迹反应，峰对峰、点对点地从EEG中减去EOG。3.3对脑电分段（分段（Epoch）按照预设的分析时程，以刺激物发生为起点，对连续记录的EEG数据按照事件发生时段进行分段。3.4滤波（波（filter）目的在于排除50Hz市电干扰和其它伪迹，这是根据频率来处理的。在Type设置时，需要注意，所谓的低通（low pass）是让所有频率低于设定值的信号通过，实际上是设定一个可通过频率的最大值；而高通（high pass）是让所有频率高于设定值的信号通过，实际上是设定一个可通过频率的最小值。另外，带通（band pass）是让介于两个频率值之间的信号通过，而带阻（bass stop）则是让两个频率值之外的信号通过。3.5基基线校正（校正（baseline correct）校正时一般选择所有导联（all channel），即对所有电极点都进行校正。基线是根据Epoch时设置的刺激前到0点的时间段上的波形，一般设定为100ms。3.6排除排除伪迹（迹（artifact rejection）这也是对波幅进行处理，不过它可以针对一导或多导，根据某一范围的数值，比如100V，超出这一范围的成分则被删除。3.7删除坏除坏电极通道（极通道（delete bad channels）进入电极状态图，如果电极是坏的，将显示为红色，对这些红色电极加以双击使之变成绿色，然后确定即删除坏电极。3.8平均（平均（average）根据需要，选取time domain或frequency domain进行平均叠加。这一步主要是对相同任务引起的刺激加以叠加。3.9保存（保存（output file）将生成的平均文件存盘。在数据处理过程中要多次保存，每次保存的文件名要取为相同，不要担心被覆盖，因为后缀名是不同的。3.10总平均（平均（grand average）现在的可以生成自动批处理文件，由于不同被试做的任务相同，所以脑电数据的处理一般也是相同，如果每个被试的数据都逐一设置则非常费时费力。可以通过对一个被试数据的处理，尝试各个参数的最佳值，然后将这些设置保存成批处理文件，如此可对所有被试的数据很快地处理完。分析者可以相当轻松。早期ERP报告都是报告个别被试的几个电极点的脑电变化，现在由于计算机技术的发展能够做到对多个被试的数据进行总平均了，现在报告的ERP图形一般都是总平均图。注意注意行为数据的采集，包括反应时间、按键反应、正确率和错误率、以及事后的口语报告（由于口语报告会产生大量肌电，所以ERP研究一般不能进行实时的口语报告或出声思维）四、波形的四、波形的识别与与测量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。-200200400600800 ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期基基线峰峰峰峰峰峰4.1定性分析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。设置条件置条件1 1与条件与条件2 2，分，分别产生生A A峰峰B B峰。峰。测量并比量并比较峰峰A A与峰与峰B B的潜伏期、始潜的潜伏期、始潜时、波幅等、波幅等指指标。比比较条件条件1 1与条件与条件2 2的波形在的波形在头皮的分布。皮的分布。定性分析定性分析相减技相减技术相减技相减技术的运用，的运用，对于提取更于提取更为纯粹的、与粹的、与心理机制相关的心理机制相关的ERPERP成分具有重要意成分具有重要意义。4.2脑电地形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）地形图和实际头形地形图。根据根据图形的色彩或形式，可将地形形的色彩或形式，可将地形图分分为：彩色地形：彩色地形图、灰度地形、灰度地形图、等高、等高线地形地形图4.3偶极子定位偶极子定位偶极子（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。偶极子偶极子产生原理示意生原理示意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。30 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 Equivalent current dipole model:dipole model:cortexMicroscopic current flow(510-5 nAm)ERP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。认知神知神经科学科学课程程简介介授课教师：沈政 62557870,Fax 62656844北京大学理2楼(逸夫苑）2017室北京毫纳心脑测试诊断技术研究所海淀区北四环西路67号大地科技大厦后小楼（农林委楼四层）教材教材认知神知神经科学科学导论 沈政、方方、沈政、方方、杨炯炯、王立新、林庶芝炯炯、王立新、林庶芝北大出版社2010年5月出版，北京市高校精品教材立项项目北大出版社集体购买7折，22.4元/本教学日程（教学日程（16周，周，4学分）学分）第1讲 脑、神经系统和常见的神经科疾病 1 第2讲 神经信息的电学传递与疾病诊断第3讲 测谎机器及其认知神经科学基础第4讲 神经信息的化学传递与一些疾病的发生第5讲 神奇的化学物质、嗜好与成瘾复习和期中考试第6讲 认知神经科学的理论和研究方法第7讲 认知过程第8讲 情感认知神经科学第9 讲 精神疾病第10讲 脑的发育和素质教育第11讲 脑的衰老和疾病总复习和考试 第1讲脑、神、神经系系统和常和常见神神经科疾病科疾病神经系统的形态结构与基本功能 神经组织 神经元:神经信息传递和信息加工 （电学、化学）胶质细胞:框架、绝缘、清理、屏障,复杂的智能 神神经元元 大脑新皮层细胞六层分布 胶胶质细胞胞2024/5/5神神经系系统 中枢神经系统（central nervous system,CNS）：脑和脊髓外周神经系统（Peripheral nervous system,PNS）：感觉、运动神经和 自主神经 脑结构与功能构与功能 大脑：大脑皮层、髓质、基底神经节间脑：丘脑、上丘脑、下丘脑、底丘脑脑干：中脑、桥脑、延脑小脑：灰质、白质、深部核2024/5/5中枢神中枢神经系系统各部各部2024/5/5脊髓脊髓灰质:前角、后角、外侧角白质：上行、下行传导束中央管：脑脊液脊髓脊髓节模式模式图外周神外周神经颜面部：12对颅神经体干部：31对脊神经交感神经：胸、腰段脊髓侧角副交感神经：颈、骶段和迷走神经12对脑神神经脊神脊神经自主（植物）神自主（植物）神经系系统大大脑皮皮层背外侧面：额、颞、顶、枕叶内侧面：边缘叶（limbic lobe），它包括胼胝体下回、扣带回、海马回和海马回深部的海马结构；旁嗅区组成隔区（area septi）内含伏隔核底面：嗅球和嗅束、嗅三角、内侧嗅回、外侧嗅回、眶回。大大脑外外侧面面大大脑皮皮层的分区的分区2024/5/5边缘系系统脑矢状正中切面矢状正中切面大大脑内内侧面（矢状正中切面）面（矢状正中切面）皮皮层功能区功能区感觉：枕叶视、颞叶听、中央后回 运动：中央前回、辅助运动区、额叶眼区语言：Broca区、Wernicke区3级分布 前额叶：背外侧、腹内侧、内侧大大脑半球髓半球髓质 投射纤维：内囊 联络纤维：连合纤维：胼胝体，前连合和海马连合。基底神经节，包括尾状核、豆状核、杏仁核和屏状核。尾状核与豆状核组成纹状体。尾状核和壳核又称新纹状体。基底神基底神经节间脑丘脑：感觉中继核：外侧膝状体、内侧膝状体和腹后核 皮层中继核：前核、腹外核和部分腹前核 联络核：背内侧核、背外侧核，后外侧核和枕核 上丘脑：松果体、嗅觉的皮层下中枢 下丘脑：视交叉、乳头体、灰结节、漏斗以及垂体 底丘脑：丘脑底核、未定带和底丘脑网状核 丘丘脑的功能分区的功能分区脑干干 腹侧多为白质，由脊髓与大脑之间的纤维背侧多为灰质,上下排列着12对脑神经核、四叠体、蓝斑、缝际核被盖，脑干网状结构神神经元的元的结构与功能构与功能 树突和轴突神经末梢，终扣或突触小体 突触（synapse）：由突触前膜、突触后膜和突触间隙（20-50纳米）三个部分组成突触传递：单向传递、突触延搁、总和效应、抑制作用、药物敏感性 神神经元与突触元与突触传递示意示意图