ERP原理在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用魏景漢PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1ERP原理在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用魏景漢原理在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用魏景漢一、一、ERP的基本原理的基本原理EEG含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，ERP是信息引起是信息引起的波形本身的波形本身，但淹沒在但淹沒在EEG中，通常觀察不到，需提取。中，通常觀察不到，需提取。1、名詞來源、名詞來源原稱：誘發(fā)（腦）電位，強調(diào)刺激引起，針對原稱：誘發(fā)（腦）電位，強調(diào)刺激引起，針對“自發(fā)電位自發(fā)電位”而言。而言。Evoked（Brain）Potentials = EP由于認知由于認知EP不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動的自上而下的心理因素，故改為不僅外

2、界刺激感覺所致，尚來自主動的自上而下的心理因素，故改為“事件相關(guān)（腦）電位事件相關(guān)（腦）電位”（1969，Herb Vauhan）。）。Event-Related（Brain）Potentials = ERPs平均誘發(fā)電位。強調(diào)經(jīng)過計算機平均。平均誘發(fā)電位。強調(diào)經(jīng)過計算機平均。Average Evoked Potentials第1頁/共26頁（1）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（EP）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作用于機體，在給予刺激或撤消刺激時，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起的電位變化。）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作用于機體，在給予刺激或撤消刺激時，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起的電位變化。（2）誘發(fā)電

3、位（）誘發(fā)電位（EP）的狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)所引起的電位變化。）的狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)所引起的電位變化。（3）事件相關(guān)電位（）事件相關(guān)電位（ERP）的定義：當(dāng)外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，或）的定義：當(dāng)外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，或/和當(dāng)某種心理因素出現(xiàn)時在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。和當(dāng)某種心理因素出現(xiàn)時在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。需要注意撤反應(yīng)。需要注意撤反應(yīng)。2、

4、ERP的定義的定義第2頁/共26頁3、特性：、特性：（1）淹沒，約）淹沒，約2微伏微伏 10微伏。微伏。（2）兩個恒定：潛伏期、波形。）兩個恒定：潛伏期、波形。4、簡史：、簡史：1935-1936 Pauline and Hallowell Davis首先在清醒人記錄到感覺首先在清醒人記錄到感覺ERP。1939 Davis等首次發(fā)表等首次發(fā)表ERP論文，單次刺激誘發(fā)，論文，單次刺激誘發(fā)，EEG平靜時記錄。平靜時記錄。1947 Dawson 首次報道用照相疊加技術(shù)記錄人體首次報道用照相疊加技術(shù)記錄人體EP。1951 Dawson 首次發(fā)明機械驅(qū)動首次發(fā)明機械驅(qū)動-電子存儲式電子存儲式EP疊加與平

5、均方法（張明島等，疊加與平均方法（張明島等，1995），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學(xué)的新時代。），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學(xué)的新時代。1962 Galambos and Sheatz首次發(fā)表計算機平均疊加首次發(fā)表計算機平均疊加ERP論文。論文。1964 Grey Walter等發(fā)表第一個認知等發(fā)表第一個認知ERP成分（成分（CNV），標志著），標志著ERP研究新時代的開始。研究新時代的開始。第3頁/共26頁5、EEG對對ERP的淹沒與的淹沒與疊加基本原理疊加基本原理第4頁/共26頁l 計算機不設(shè)置負值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪聲疊加也增大，而不是互相抵消。計算機不設(shè)置負值，只有正值，波的低谷也為正值，故

6、噪聲疊加也增大，而不是互相抵消。l 信噪比的提高值與疊加次數(shù)信噪比的提高值與疊加次數(shù): 。 例：原例：原信號信號2微伏微伏 / 噪音噪音10微伏微伏 = ，疊加，疊加100次后次后 （2微伏微伏100）/（10微伏微伏 ）= 200微伏微伏 / 100微伏微伏 = 2 /S Nnnn100第5頁/共26頁6 6、A/DA/D轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）ERPERP的時間分辨率的時間分辨率 ERPERP時間分辨率高的根本原因是由于它是對神經(jīng)元自身活動的測量，而不是像時間分辨率高的根本原因是由于它是對神經(jīng)元自身活動的測量，而不是像PETPET、fMRIfMRI、光成像那樣只是對神經(jīng)元代

7、謝產(chǎn)物的測量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為、光成像那樣只是對神經(jīng)元代謝產(chǎn)物的測量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為ERPERP的高時間分辨率提供了保障。目前的高時間分辨率提供了保障。目前ERPERP的時間分辨率在理論上已可達到微秒級。的時間分辨率在理論上已可達到微秒級。 實際上，在記錄早成分時，由于它在實際上，在記錄早成分時，由于它在10ms10ms內(nèi)有七、八個波，記錄由內(nèi)有七、八個波，記錄由256256點以上組成，因此點間距即時間分辨率小于點以上組成，因此點間距即時間分辨率小于40s40s。一般的。一般的ERPERP儀器采樣頻率也大于儀器采樣頻率也大于2000Hz/m

8、s2000Hz/ms?？偛蓸宇l率。總采樣頻率= =（頻率（頻率/ /導(dǎo)）導(dǎo)）* * 導(dǎo)數(shù)。減少導(dǎo)數(shù)則時間分辨率相應(yīng)提高。設(shè)置時間分辨率的一般原則是，組成導(dǎo)數(shù)。減少導(dǎo)數(shù)則時間分辨率相應(yīng)提高。設(shè)置時間分辨率的一般原則是，組成EpochEpoch的點數(shù)應(yīng)等于或大于的點數(shù)應(yīng)等于或大于128128點。點。第6頁/共26頁7、ERP的研究分類的研究分類（1）按感覺通路：AEP、VEP、SEP（2）按潛伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。a第7頁/共26頁（3）命名法：）命名法：正P負N潛伏期。如P300, N400, N170。（4）向上為負。）向上為負。（5）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概

9、念。）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。 純心理波：純心理波：運動前電位、刺激遺漏成分、解脫波。第8頁/共26頁8、ERP的優(yōu)勢的優(yōu)勢: （1）無創(chuàng)性、時間分辨率高）無創(chuàng)性、時間分辨率高 便于與便于與RT 配合進行認知過程研究、空間分辨率配合進行認知過程研究、空間分辨率128導(dǎo)約為導(dǎo)約為3mm，達到了現(xiàn)代水平。是心理學(xué)工作者進行認知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。，達到了現(xiàn)代水平。是心理學(xué)工作者進行認知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。（2）認知可分為認知過程和認知狀態(tài)，）認知可分為認知過程和認知狀態(tài)，過程指的就是時間過程。過程指的就是時間過程。 （3）設(shè)備相對簡單，對環(huán)境的要求不高。）設(shè)備

10、相對簡單，對環(huán)境的要求不高。第9頁/共26頁9、 妨礙妨礙ERP提高空間分辨率的原因：提高空間分辨率的原因：（1）顱骨不勻且有個體差異）顱骨不勻且有個體差異（2）容積導(dǎo)體效應(yīng)）容積導(dǎo)體效應(yīng)（3）電場封閉（主要來自錐體細胞層，失真：該層）電場封閉（主要來自錐體細胞層，失真：該層ERP大，其他層?。┐?，其他層?。┑?0頁/共26頁第11頁/共26頁1966: 1771967-68: 15011969-70: 19711971-72: 20631973-74: 22161975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 34451981-82: 42081983-84: 441

11、61985-86: 45381987-88: 46101989-90: 48041991-92: 54791993-94: 53861995-96: 54611997-98: 58881999-00: 62052001-02: 62992003-04: 699610、ERP的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢第12頁/共26頁二、二、ERP在認知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用在認知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用1、ERP的學(xué)術(shù)位置的學(xué)術(shù)位置屬于心理生理學(xué)（屬于心理生理學(xué)（psychophysiology）范疇。）范疇。心理生理學(xué)以心理因素為自變量，以生理指標為應(yīng)變量，一般以人為被試。心理生理學(xué)以心理因素為自變量，以生理指標為應(yīng)變量，一般

12、以人為被試。生理心理學(xué)（生理心理學(xué)（physiological psychology）以生理變化為自變量，以心理因素為應(yīng)變量，一般以動物為被試。）以生理變化為自變量，以心理因素為應(yīng)變量，一般以動物為被試。心理生理學(xué)是從生理心理學(xué)中分離出來的。同屬認知神經(jīng)科學(xué)。心理生理學(xué)是從生理心理學(xué)中分離出來的。同屬認知神經(jīng)科學(xué)。認知神經(jīng)科學(xué)是在近十余年才興起的一門交叉學(xué)科，是腦科學(xué)界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新時代，認知神經(jīng)科學(xué)是在近十余年才興起的一門交叉學(xué)科，是腦科學(xué)界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新時代， ERP是其中的重要組成部分。是其中的重要組成部分。 第13頁/共26頁 個性心理特征 心理學(xué) 情緒 意

13、志 心理過程 認知心理學(xué) 心理語言學(xué) 認知科學(xué) 人工智能 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)腦科學(xué) 生理學(xué) . .認知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)科位置第14頁/共26頁二、認知神經(jīng)科學(xué)方法之比較二、認知神經(jīng)科學(xué)方法之比較第15頁/共26頁三、作用舉三、作用舉例例（一）關(guān)于注意選擇性發(fā)生時程的（一）關(guān)于注意選擇性發(fā)生時程的ERP證據(jù)證據(jù)1、兩耳純音各一不同。快速（約、兩耳純音各一不同?？焖伲s6次次/秒）隨秒）隨機呈現(xiàn)。機呈現(xiàn)。2、兩項實驗，每項只記一只耳的純音數(shù)。、兩項實驗，每項只記一只耳的純音數(shù)。3、圖、圖1、2 的早成分不受注意影響。的早成分不受注意影響。4、圖、圖3、4 的中成分（涂黑）受注意影響。的中成分（涂黑）受

14、注意影響。5、圖、圖5為差異波為差異波P20-50 （涂黑），相當(dāng)早。（涂黑），相當(dāng)早。6、 ERP與與MEG（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)P25-50發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級聽皮質(zhì)。聽皮質(zhì)。7、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺加工的早期、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺加工的早期階段。階段。第16頁/共26頁1 1、實驗方法、實驗方法 實驗采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下實驗采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下, , 其中數(shù)字單位為其中數(shù)字單位為ms: ms: 純音純音 - - 提示字提示字 - - 目標字目標字 - - 被試述詞被試述詞 - - 下次純音下次純音

15、. . 220 1210 200 1300 200 4400220 1210 200 1300 200 4400 頭皮記錄頭皮記錄 FzFz、CzCz、PzPz、左腦、左腦P3-T5 P3-T5 及右腦及右腦P4-T6 P4-T6 共五點之共五點之ERP.ERP. 每名被試皆接受二項實驗每名被試皆接受二項實驗. .（1）具體字聯(lián)想實驗。主要目的：突出目標字義的加工，減弱形音加工。）具體字聯(lián)想實驗。主要目的：突出目標字義的加工，減弱形音加工。純音預(yù)告漢字即將出現(xiàn), 引起注意.提示字皆認識字, 要識記其發(fā)音與字形.目標字與提示字音同形似,如,提示字“丁”,目標字“釘”;“防” 房.目標字分為認識與

16、不認識.對認識的目標字要根據(jù)其義聯(lián)想出另一個字, 組成雙字詞并口頭報告.對不認識的字根據(jù)提示字音、形盡量猜測其義,仍不認識, 述不認識.（二）語言加工的腦機制（二）語言加工的腦機制 半視野漢字研究（半視野漢字研究（Wei, et al., NeuroReport, 2001）第17頁/共26頁（2）非提示對照實驗）非提示對照實驗:“提示提示”字為無關(guān)字字為無關(guān)字, 即與目標字形音義皆異即與目標字形音義皆異,目標字聯(lián)想前缺少音目標字聯(lián)想前缺少音與形的予加工與形的予加工, 余同具體字聯(lián)想實驗余同具體字聯(lián)想實驗. 第18頁/共26頁 2、主要實驗結(jié)果與討論、主要實驗結(jié)果與討論: （1）漢字認知的起始

17、時程）漢字認知的起始時程具體字聯(lián)想實驗具體字聯(lián)想實驗圖為左視野圖為左視野ERP 橫排橫排5個記錄點個記錄點 左半球左半球P3-T5，左視野為同側(cè)，右，左視野為同側(cè)，右半球半球P4-T6，左視野為對側(cè)，左視野為對側(cè) 紅線為目標字認識時的紅線為目標字認識時的ERP, 綠線綠線為目標字不認識時的為目標字不認識時的ERP 在每幀圖中在每幀圖中, 純音、提示字和目標純音、提示字和目標字各引起一組字各引起一組ERP。左視野左視野左半球左半球（同側(cè)）（同側(cè)）右半球右半球（對側(cè)）（對側(cè)）第19頁/共26頁在生理上在生理上, 半視野刺激應(yīng)首先投射于對半視野刺激應(yīng)首先投射于對側(cè)腦側(cè)腦, 然后傳導(dǎo)到同側(cè)腦然后傳導(dǎo)到

18、同側(cè)腦. P1潛伏期潛伏期(約約100ms) 附合這一規(guī)律附合這一規(guī)律: 對側(cè)投射比同側(cè)傳導(dǎo)出現(xiàn)得早對側(cè)投射比同側(cè)傳導(dǎo)出現(xiàn)得早.N1潛伏期潛伏期(約約160ms)已不附合這一規(guī)已不附合這一規(guī)律律: 對側(cè)投射與同側(cè)傳導(dǎo)基本同時出現(xiàn)對側(cè)投射與同側(cè)傳導(dǎo)基本同時出現(xiàn).提示字引起的提示字引起的N1仍為對側(cè)投射早于同仍為對側(cè)投射早于同側(cè)傳導(dǎo)側(cè)傳導(dǎo).目標字與提示字的區(qū)別主要在于突出目標字與提示字的區(qū)別主要在于突出了詞義加工了詞義加工.所以所以N1受到了目標字詞義加工的調(diào)節(jié)受到了目標字詞義加工的調(diào)節(jié). 它始于它始于 100ms 至至 160ms之間，亦即之間，亦即漢字認知的起始時程約為漢字認知的起始時程約為1

19、00ms 至至 160ms.左右視野目標字在左右半球（對側(cè)、同側(cè)）引起的P1與N1第20頁/共26頁（2）左右腦在漢字加工中的關(guān)系：）左右腦在漢字加工中的關(guān)系： 左腦左腦N1遲于右腦出現(xiàn)，遲于右腦出現(xiàn)， 左腦左腦N1波幅波幅大于右腦。大于右腦。 所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右腦傳來必要的信息后才開始加工右腦傳來必要的信息后才開始加工，但其加工一旦開始就在一定時期但其加工一旦開始就在一定時期內(nèi)占優(yōu)勢。這就是說，在起始時間內(nèi)占優(yōu)勢。這就是說，在起始時間與加工強度兩個維度上兩個半球各與加工強度兩個維度上兩個半球各占優(yōu)勢。占優(yōu)勢。 漢字加工中的漢字加工中的“優(yōu)勢半球優(yōu)勢

20、半球”概念已難以概括上述二維差異，需概念已難以概括上述二維差異，需要修正。要修正。第21頁/共26頁左視野，不認識左視野，不認識 認識認識（3）漢字認識否引起的）漢字認識否引起的ERP差異：差異：不認識的目標字的不認識的目標字的PSW波幅大于認識的目波幅大于認識的目標字標字PSW, 前者的潛伏期也顯著長于后者前者的潛伏期也顯著長于后者.不認識的目標字不認識的目標字ERP 認識的目標字認識的目標字ERP = P800.該差值只與漢字認識與否及聯(lián)想該差值只與漢字認識與否及聯(lián)想/猜想相關(guān)猜想相關(guān), 物理因素皆被減掉物理因素皆被減掉; 為純心理性成分為純心理性成分.二項實驗全部記錄點均于目標字后約二項

21、實驗全部記錄點均于目標字后約800ms出現(xiàn)了一個相似的正成分出現(xiàn)了一個相似的正成分, 說明是說明是一種規(guī)律一種規(guī)律.在此實驗條件下可作為判斷被試是否認識在此實驗條件下可作為判斷被試是否認識所用漢字的客觀標志所用漢字的客觀標志. 在此將該差異成分在此將該差異成分標記為標記為P800. 第22頁/共26頁意識的腦機制24（4）形音加工）形音加工ERP成分的獲得，成分的獲得， 形音加工的反復(fù)性形音加工的反復(fù)性對照組認識的目標字需形音義全面加工.具體組認識的目標字主要進行義的加工.對照組對照組- 具體組具體組 = 形音加工成分形音加工成分.結(jié)果：結(jié)果：160ms正成分, 450ms負成分, 800ms另一個正成分.所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復(fù)所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復(fù).第23頁/共26頁意識的腦機制25（5）形音義的加工順序，形音義加工的反復(fù)、交錯與重疊：）形音義的加工順序，形音義加工的反復(fù)、交錯與重疊：由（由（1）已知，在）已知，在100ms至至160ms左右已開始了詞義加工左右已開始了詞義加工. 由（由（3）已知，）已知，800ms后仍在進行詞義加工后仍在進行詞義加工. 由（由（4）已知，形音加工在）已知，形音加工在160ms、450ms和和800ms附近也均有表現(xiàn)附近也均有表現(xiàn).由（由（1）、（）、（