ERP基本原理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用

1、1ERPERP的基本原理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的基本原理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用中的應(yīng)用The Basic Principles and Application in Neurosciences of ERP魏景漢魏景漢Jing-han WeiW中國科學(xué)院心理研究所中國科學(xué)院心理研究所Institute of Psychology, Academia Sinica2一、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是信息引起的是信息引起的波形本身波形本身，但淹沒在但淹沒在EEG中，通常觀察不到，需提取。中，通

2、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”而而言。言。Evoked（Brain）Potentials = EP由于認(rèn)知由于認(rèn)知EP不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動的自上而下的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 Evoke

3、d Potentials3（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）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。的電位變化。（2）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（EP）的狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，）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。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

4、的刺激，）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、ERP的定義的定義43、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

5、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平靜時記平靜時記錄。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疊加與平均方法疊加與平均方法（張明島等，（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(rèn)知等發(fā)表第一個認(rèn)知ERP成分（成分（CNV），標(biāo)志著），標(biāo)

6、志著ERP研究新時代的開始。研究新時代的開始。55、EEG對對ERP的淹沒與的淹沒與疊加基本原理疊加基本原理6l 計算機不設(shè)置負值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪計算機不設(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。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：例：原原信號信號2微伏微伏 / 噪音噪音10微伏微伏 = 0.2，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 Nnnn10076 6、A/DA/D轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）

7、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，而不是像的測量，而不是像PETPET、fMRIfMRI、光成像那樣只是對神經(jīng)元代謝產(chǎn)、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的時間分辨率在理論上已可達到微秒級?？蛇_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10m

8、s10ms內(nèi)有七、八個波內(nèi)有七、八個波，記錄由，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/2000Hz/導(dǎo)，即時間分辨率導(dǎo)，即時間分辨率0.5ms0.5ms。總采樣頻率。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的點的點數(shù)應(yīng)等于或大于數(shù)應(yīng)等于或大于128128點。點。87、ERP的研究分類的研

9、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。a9（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。108、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(rèn)知過程配合進行認(rèn)知過程研究、空間分辨率研究、空間分辨率128導(dǎo)約為導(dǎo)約為3mm，達到了現(xiàn)代水平。是，達到了現(xiàn)代水平。是心理學(xué)工作者進行

10、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。心理學(xué)工作者進行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。（2）認(rèn)知可分為認(rèn)知過程和認(rèn)知狀態(tài)，）認(rèn)知可分為認(rèn)知過程和認(rèn)知狀態(tài)，過程指的就是時間過過程指的就是時間過程。程。 （3）設(shè)備相對簡單，對環(huán)境的要求不高。）設(shè)備相對簡單，對環(huán)境的要求不高。119、 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）電場封閉（主要來自錐體細胞層，失真：該層層ERP大，其他層小）大，其他層?。?2131966: 1771967-68: 15011969-7

11、0: 19711971-72: 20631973-74: 22161975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 34451981-82: 42081983-84: 44161985-86: 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14二、二、ERP在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用在認(rèn)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)（

12、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(biāo)為應(yīng)變量，一般心理生理學(xué)以心理因素為自變量，以生理指標(biāo)為應(yīng)變量，一般以人為被試。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(rèn)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(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。認(rèn)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)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是在近十余年才興起的一門交叉學(xué)科，

13、是腦科學(xué)界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新時代，界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新時代， ERP是其中的重要組是其中的重要組成部分。成部分。 15 個性心理特征 心理學(xué) 情緒 意志 心理過程 認(rèn)知心理學(xué) 心理語言學(xué) 認(rèn)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(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)科位置16二、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法之比較二、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法之比較17三、作用舉例三、作用舉例（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?？焖伲s、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

14、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)現(xiàn)（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)P25-50發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級聽皮發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級聽皮質(zhì)。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。181 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

15、單位為ms: ms: 純音純音 - - 提示字提示字 - - 目標(biāo)字目標(biāo)字 - - 被試述詞被試述詞 - - 下次純音下次純音 . . 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(biāo)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(biāo)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

16、注意.提示字皆認(rèn)識字, 要識記其發(fā)音與字形.目標(biāo)字與提示字音同形似,如,提示字“丁”,目標(biāo)字“釘”;“防” 房.目標(biāo)字分為認(rèn)識與不認(rèn)識.對認(rèn)識的目標(biāo)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(rèn)識的字根據(jù)提示字音、形盡量猜測其義,仍不認(rèn)識, 述不認(rèn)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）19（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(biāo)字形音義皆異即與目標(biāo)字形音義皆異,目標(biāo)字聯(lián)想前缺少音與目標(biāo)字聯(lián)想前缺少音與形的予加工形的予加工, 余同具體字聯(lián)

17、想實驗余同具體字聯(lián)想實驗. 20 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(rèn)知的起始時程）漢字認(rèn)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)，右半，左視野為同側(cè)，右半球球P4-T6，左視野為對側(cè)，左視野為對側(cè) 紅線為目標(biāo)字認(rèn)識時的紅線為目標(biāo)字認(rèn)識時的ERP, 綠線為目綠線為目標(biāo)字不認(rèn)識時的標(biāo)字不認(rèn)識時的ERP 在每幀圖中在每幀圖中, 純音、提示字和目標(biāo)字純音、提示字和目標(biāo)字各引起一組各引起一組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)）21在生理上在生理上,

18、半視野刺激應(yīng)首先投射于對側(cè)半視野刺激應(yīng)首先投射于對側(cè)腦腦, 然后傳導(dǎo)到同側(cè)腦然后傳導(dǎo)到同側(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)對側(cè)投射比同側(cè)傳導(dǎo)出現(xiàn)得早投射比同側(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)律已不附合這一規(guī)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)投射早于同側(cè)仍為對側(cè)投射早于同側(cè)傳導(dǎo)傳導(dǎo).目標(biāo)字與提示字的區(qū)別主要在于突出了目標(biāo)字與提示字的區(qū)別主要在于突出了詞義加工詞義加工.所以所以N1受到了目標(biāo)字詞義加工的調(diào)節(jié)受到了目標(biāo)字詞義加工的調(diào)節(jié). 它它始于始于 100m

19、s 至至 160ms之間，亦即漢字認(rèn)之間，亦即漢字認(rèn)知的起始時程約為知的起始時程約為100ms 至至 160ms.左右視野目標(biāo)字在左右半球（對側(cè)、同側(cè)）引起的P1與N122（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)，左腦可能需等待右所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右腦傳來必要的信息后才開始加工，腦傳來必要的信息后才開始加工，但但其加工一旦開始就在一定時期內(nèi)占優(yōu)其加工一旦開始就在一定時期內(nèi)占優(yōu)勢。這就是說，在起始時間與加工強勢。這就是說，在起始時間與加工強度兩個維度上兩個半球各占優(yōu)

20、勢。度兩個維度上兩個半球各占優(yōu)勢。 漢漢字加工中的字加工中的“優(yōu)勢半球優(yōu)勢半球”概念已難以概概念已難以概括上述二維差異，需要修正。括上述二維差異，需要修正。23左視野，不認(rèn)識左視野，不認(rèn)識 認(rèn)識認(rèn)識（3）漢字認(rèn)識否引起的）漢字認(rèn)識否引起的ERP差異：差異：不認(rèn)識的目標(biāo)字的不認(rèn)識的目標(biāo)字的PSW波幅大于認(rèn)識的目波幅大于認(rèn)識的目標(biāo)字標(biāo)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(rèn)識的目標(biāo)字不認(rèn)識的目標(biāo)字ERP 認(rèn)識的目標(biāo)字認(rèn)識的目標(biāo)字ERP = P800.該差值只與漢字認(rèn)識與否及聯(lián)想該差值只與漢字認(rèn)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

21、理性成分為純心理性成分.二項實驗全部記錄點均于目標(biāo)字后約二項實驗全部記錄點均于目標(biāo)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, 說明是一種規(guī)律說明是一種規(guī)律.在此實驗條件下可作為判斷被試是否認(rèn)識在此實驗條件下可作為判斷被試是否認(rèn)識所用漢字的客觀標(biāo)志所用漢字的客觀標(biāo)志. 在此將該差異成分標(biāo)在此將該差異成分標(biāo)記為記為P800. 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(rèn)識的目標(biāo)字需形音義全面加工.具體組認(rèn)識的目標(biāo)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).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