ERP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析李曉慶中國(guó)科學(xué)院心理探討所2011-07-01●ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題如何從ERP數(shù)據(jù)中得出結(jié)論ERP成分(component)與ERP波形(waveform)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略刺激材料數(shù)量和呈現(xiàn)策略數(shù)據(jù)分析時(shí)的基線(xiàn)問(wèn)題●ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)ERP疊加平均的原理、及偽跡用ICA解除偽跡ERP的PCA分析法及適用范圍●F.C.DondersCentreforCognitiveNeuroimagingERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題好數(shù)據(jù)是無(wú)可替代的好數(shù)據(jù)是無(wú)可替代的。信任偽跡提出可以將壞數(shù)據(jù)變成好數(shù)據(jù)是愚蠢的。偽跡解除只能間或去掉那些間或發(fā)生的含有偽跡的試次，使好數(shù)據(jù)變得更好。假如被試在對(duì)待特定事務(wù)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)總是擠眼，或者有連續(xù)的高振幅α活動(dòng)，偽跡解除方法并不能賜予補(bǔ)償，也就是說(shuō)，那些具有系統(tǒng)噪聲和系統(tǒng)偽跡的數(shù)據(jù)，并不能通過(guò)偽跡解除的方法得到更大改善。(Hansen.J.C.,未發(fā)表的軟件文檔)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(一)如何從ERP數(shù)據(jù)中得出結(jié)論1.不基于特定ERP成分的推論時(shí)間特點(diǎn)地形圖（頭皮分部）波幅時(shí)間認(rèn)知加工過(guò)程的功能異同同一認(rèn)知加工過(guò)程的參與程度(Li,Yang,Hagoort,2008)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題例子，重讀(合適vs.不合適)×聲調(diào)(合適vs.不合適)

現(xiàn)在正是玫瑰盛開(kāi)的季節(jié)。明天小明去買(mǎi)什么把房間裝飾一下？

a明天小秦去買(mǎi)花裝飾房間（A√B√）

b明天小秦去買(mǎi)花裝飾房間（A×B√）

c明天小秦去買(mǎi)畫(huà)裝飾房間（A√B×）

d明天小秦去買(mǎi)畫(huà)裝飾房間（A×B×）3-3abcdLietal.,2008(d-a)=(c-a)+(b-a):線(xiàn)性相加性說(shuō)明accent和tone的語(yǔ)義加工存在確定的對(duì)應(yīng)之處ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(一)如何從ERP數(shù)據(jù)中得出結(jié)論2.基于特定ERP成分的推論ERP成分(Component):apartofwaveformwithacircumscribedscalpdistribution(alludingtotheunderlyingneuralconfiguration)andacircumscribedrelationshiptoexperimentalvariables(alludingtothecognitivefunctionservedbytheactivityofthisconfiguration)(Donchinetal.,1978).N400:central-parietal;semanticintegration

信息結(jié)構(gòu)如何影響語(yǔ)義加工的深度(Wangetal.,2009)焦點(diǎn)(焦點(diǎn)vs.非焦點(diǎn))×語(yǔ)義合適(合適vs.不合適)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(二)ERP成分(component)與ERP波形(waveform)

ERP波峰≠ERP成分不能從單一的ERP波形估計(jì)ERP成分的時(shí)間過(guò)程和峰潛藏期不要把試驗(yàn)效應(yīng)與波形的變更進(jìn)行簡(jiǎn)潔對(duì)應(yīng)波峰振幅的差異≠成分大小的差異波峰潛藏期的差異≠成分時(shí)程的變更ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(二)ERP成分(component)與ERP波形(waveform)

聚焦于特定的成分運(yùn)用已成熟的試驗(yàn)操作聚焦于大的成分用差異波來(lái)分別成分運(yùn)用成分獨(dú)立的試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)→削減ERP成分和ERP波形之間的關(guān)系不確定性可數(shù)名詞,語(yǔ)義相關(guān)(plate….cup)可數(shù)名詞,語(yǔ)義不相關(guān)(sock….cup)不行數(shù)名詞,語(yǔ)義相關(guān)(rain….water)不行數(shù)名詞,語(yǔ)義不相關(guān)(garbage….water)(Vogel,Luck,Shapiro,1998)有動(dòng)物的照片無(wú)動(dòng)物的照片150ms(Thorpe,1996)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(三)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略例子,試驗(yàn)?zāi)康模捍碳た杀嫘?discriminability)對(duì)P3的影響材料：字母表（10%“Q”;90%隨即選擇的非“Q”;“Q”從不連續(xù)出現(xiàn)）任務(wù)：字母“Q”時(shí)按鍵條件:簡(jiǎn)潔辨別(亮條件)vs.難于辨別(暗條件)無(wú)關(guān)變量：刺激的物理屬性：“Q”與非“Q”的形態(tài)不同;與非“Q”相比,“Q”出現(xiàn)的頻率高被試的反應(yīng)方式：對(duì)靶“Q”反應(yīng)，而對(duì)非靶不反應(yīng)(受與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的ERP的污染)刺激的呈現(xiàn)方式：“Q”從不連續(xù)出現(xiàn)(P3后效只影響非“Q”)刺激材料的數(shù)量：10%“Q”;90%非“Q”(峰振幅)刺激條件的操作：亮條件vs.暗條件-----二次反應(yīng)(早期成分；加工難度差異)

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(三)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略應(yīng)對(duì)策略：刺激的物理屬性：運(yùn)用不同的靶字母，在全體被試間進(jìn)行平衡；10個(gè)字母，1個(gè)為靶----每個(gè)字母的出現(xiàn)概率都是10%被試的反應(yīng)方式：對(duì)靶“Q”和非靶做不同的反應(yīng)刺激的呈現(xiàn)方式：分析數(shù)據(jù)時(shí)，去除有靶領(lǐng)先的非靶刺激刺激材料的數(shù)量：平均波幅代替峰波幅；隨機(jī)選擇同等數(shù)量的非靶刺激刺激條件的操作：增加限制條件；亮刺激與暗刺激在同一區(qū)組內(nèi)隨機(jī)呈現(xiàn)；額外的數(shù)據(jù)分析(RTs快vs.RTs慢)

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(三)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略1.刺激的物理屬性：不同試驗(yàn)條件下，盡量運(yùn)用物理屬性相同的刺激材料；增加限制試驗(yàn)例子，重讀(合適vs.不合適)×韻律邊界(合適vs.不合適)

他撞倒誰(shuí)的車(chē)子之后逃跑了？

撞倒/肖明的車(chē)子（A√B√）撞倒/肖明的車(chē)子（A×B√）撞倒肖明的/車(chē)子（A√B×）撞倒肖明的/車(chē)子（A×B×）他撞倒誰(shuí)的車(chē)子之后逃跑了？（A√B√）他撞倒肖明的什么物品之后逃跑了？（A×B√）警察把撞倒誰(shuí)的車(chē)子沒(méi)收了？（A√B×）警察把撞倒肖明的什么物品沒(méi)收了？（A×B×）

撞倒/肖明的車(chē)子(Lietal.,2011)下劃線(xiàn):表示鎖時(shí)的關(guān)鍵詞;紅色表示重讀的位置;左側(cè):物理屬性不一樣;右側(cè):物理屬性一樣

AudiovisualsituationStandard隨后(紅色)的方形出現(xiàn)了(75%)Deviant1隨后(紅色)的方形出現(xiàn)了(12.5%)

Deviant2隨后(紅色)的方形出現(xiàn)了(12.5%)

Auditorysituation

Standard隨后紅色的方形出現(xiàn)了

Deviant隨后紅色的方形出現(xiàn)了

(Lietal.,2009)(三)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略1.刺激的物理屬性：不同試驗(yàn)條件下，盡量運(yùn)用物理屬性相同的刺激材料；增加限制試驗(yàn)例子，重讀語(yǔ)義與視覺(jué)背景整合的時(shí)間特點(diǎn)

下劃線(xiàn):表示鎖時(shí)的關(guān)鍵詞;紅色表示重讀的位置;上:正式試驗(yàn);下:限制試驗(yàn)重讀與視覺(jué)背景一樣重讀與視覺(jué)背景不一樣重讀與視覺(jué)背景不一樣ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(三)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的無(wú)關(guān)變量及應(yīng)對(duì)策略2.刺激材料的重復(fù)3.不同試驗(yàn)條件下，刺激材料的數(shù)量不同4.不同試驗(yàn)條件下，被試反應(yīng)的有無(wú)不同；反應(yīng)的難度不同5.盡量在同一區(qū)組內(nèi)變更試驗(yàn)條件；而不是在不同區(qū)組間變更試驗(yàn)條件ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(四)刺激材料數(shù)量和呈現(xiàn)策略

1.刺激材料的數(shù)量效應(yīng)的大小(ERP成分;實(shí)驗(yàn)條件操縱)；數(shù)據(jù)的噪聲水平30-60---largecomponent(P3,N400)150-200---medium-sizedcomponent(N2)400-800---smallcomponent(P1)(Luck,2004)

2.刺激材料的數(shù)量和信噪比

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(四)刺激材料數(shù)量和呈現(xiàn)策略3.刺激材料---ERP成分重疊4.應(yīng)對(duì)ERP成分重疊的策略a運(yùn)用ISIjitter(抖動(dòng))jitter的范圍盡量寬；b不呈現(xiàn)刺激的小概率事務(wù)(Pictonetal.,1974)c估計(jì)已采集數(shù)據(jù)的重疊從平均波形中減去估計(jì)的重疊ADJAR(adjacentresponse)(Woldorff,1993)ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題(五)數(shù)據(jù)分析時(shí)的基線(xiàn)問(wèn)題---試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.盡量使鎖時(shí)點(diǎn)之前的刺激材料在不同試驗(yàn)條件中相同(Li,Chen,andYang.,2011)2.選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段作為基線(xiàn)，并在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)使其在不同試驗(yàn)條件中相同(Nan,Kn?sche,Friederici,2009)

3.利用差異波（把效應(yīng)進(jìn)行比較）(Lietal.,minorrevision)

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題例子，重讀(合適vs.不合適)×韻律邊界(合適vs.不合適)

他撞倒誰(shuí)的車(chē)子之后逃跑了？撞倒/肖明的車(chē)子（A√B√）撞倒/肖明的車(chē)子（A×B√）撞倒肖明的/車(chē)子（A√B×）撞倒肖明的/車(chē)子（A×B×）他撞倒誰(shuí)的車(chē)子之后逃跑了？（A√B√）他撞倒肖明的什么物品之后逃跑了？（A×B√）警察把撞倒誰(shuí)的車(chē)子沒(méi)收了？（A√B×）警察把撞倒肖明的什么物品沒(méi)收了？（A×B×）撞倒/肖明的車(chē)子(Li,Chen,andYang,2011)下劃線(xiàn):表示鎖時(shí)的關(guān)鍵詞;紅色表示重讀的位置;左側(cè):基線(xiàn)不一樣;右側(cè):基線(xiàn)一樣

ERP試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題例，非音樂(lè)家對(duì)音樂(lè)小結(jié)邊界的感知，及文化差異對(duì)其的影響

Baseline:-200–0ms-800---300ms(Nan,Kn?sche,Friederici,2009)ResearchdesignActivesentences(lowworkingmemoryload)highsemanticrelatedlowsemanticrelated萌萌把“新娘”淺色的婚紗弄臟后感到很愧疚。萌萌把“隊(duì)長(zhǎng)”淺色的婚紗弄臟后感到很愧疚。萌萌把“新娘”淺色的婚紗弄臟后感到很愧疚。萌萌把“隊(duì)長(zhǎng)”淺色的婚紗弄臟后感到很愧疚。Passivesentences(highworkingmemoryload)highsemanticrelatedlowsemanticrelated萌萌說(shuō)“新娘”被弄臟淺色的婚紗后嘆了口氣。萌萌說(shuō)“隊(duì)長(zhǎng)”被弄臟淺色的婚紗后嘆了口氣。萌萌說(shuō)“新娘”被弄臟淺色的婚紗后嘆了口氣。萌萌說(shuō)“隊(duì)長(zhǎng)”被弄臟淺色的婚紗后嘆了口氣。MemoryLoad(highvs.low)×Accentuation(accentedvs.de-accented)

×SemanticRelatedness(highvs.low)(Lietal.,minorrevision)下劃線(xiàn):表示鎖時(shí)的關(guān)鍵詞;紅色表示重讀的位置;右側(cè)減左側(cè)得到差異波ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（一）ERP疊加的平均的原理、及偽跡1.ERP的平均的原理信號(hào)噪聲(backgroundEEG)偽跡ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（一）ERP疊加平均的原理、及偽跡2.EEG數(shù)據(jù)中的偽跡?擠眼?眼動(dòng)(閱讀,視覺(jué)搜尋)?α波?肌電–jaw,neck,andfacemuscles–squinting,eyebrowmovements–smiling,laughter?出聲閱讀?心電(e.g.,參考位于血管上)?電極接觸不良?剔除含有偽跡的刺激

信噪比降低?矯正較好的信噪比；

剔出不正確反而更歪曲數(shù)據(jù)ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（一）ERP疊加平均的原理、及偽跡2.EEG數(shù)據(jù)中的偽跡---α波?10Hz,100ms一個(gè)周期，parietal-occipital?很難平均掉：波幅高與刺激材料同步?影響數(shù)據(jù)的說(shuō)明；特殊是始潛時(shí)的分析?限制策略：ISIjitter，100msms-1001002003004005006007008009001000uV-6.06.0PZERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（一）ERP疊加平均的原理、及偽跡2.EEG數(shù)據(jù)中的偽跡---慢電位漂移?皮膚電位變更；電極接觸不良?剔除：計(jì)算EEG在全部trials上的斜率，并將那些斜率超出確定閾值的trial解除ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（一）ERP疊加平均的原理、及偽跡3.EEG數(shù)據(jù)中的偽跡---眼動(dòng)?固定的電壓梯度(正極指向眼球正面)；眼動(dòng)指向的方面，頭皮電壓變得更正?剔除眼動(dòng)污染的刺激優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)更干凈缺點(diǎn)：信噪比降低；不行避開(kāi)會(huì)產(chǎn)生眼動(dòng)；有的眼動(dòng)難以偵查到；剔除方法錯(cuò)誤?眼動(dòng)矯正回來(lái)分析；偶極子定位；ICAERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)3.EEG數(shù)據(jù)中的偽跡---眼動(dòng)ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（二）用ICA解除偽跡(Jungetal.,2000,2001)●數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)data-driving●利用數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)構(gòu)，線(xiàn)形方法和非線(xiàn)性方法相結(jié)合；●N電極-----N個(gè)獨(dú)立的成分●與特定偽跡有關(guān)的成分具有獨(dú)特的特點(diǎn)●利用逆運(yùn)算(inversecomputation)----減去有偽跡有關(guān)的成分眼動(dòng)肌電α波壞電極ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（二）用ICA解除偽跡---具體程序（1）●Neuroscan數(shù)據(jù)預(yù)處理Ocularartifactreduction、re-Reference、filter、epoch、baselinecorrection、Artfactrejection（-75+75）、Deleterejectredsweeps●用matlab打開(kāi)eeglabfile---setpath(包含eeglab程序所在的路徑、eeg數(shù)據(jù)所在的路徑)；干脆在matlab中輸入eeglab●把.eeg數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為eeglab的數(shù)據(jù)(.set)file--import---fromNeuroscan.eegfilefile--savecurrentdatasetas(保存為.set數(shù)據(jù))ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（二）用ICA解除偽跡---具體程序（2）●

RunICAfile--loadexistingdatasetedit--channellocation(一路點(diǎn)擊ok)tools--runICAfile--savecurrentdatasetas(保存包含ica信息的數(shù)據(jù))●用ICA去偽跡

tools--rejectdatausingICA--rejectcomponentbymapstools--romovecompomentsfile--savecurrentdatasetas(保存包含去除偽跡后的數(shù)據(jù))●把.set數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Neuroscan能讀取的.avg數(shù)據(jù)

1.files--export--DataandICAactivitytotextfiles

對(duì)話(huà)窗的以下處劃勾

ExportERPaverageinsteadoftrialsTransposematrix(ele-rows)Exportchannellabes/componentnumbersExporttimevalues2.把導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.xls數(shù)據(jù)--去除第一行（電極點(diǎn)名稱(chēng)）和第一列（時(shí)間點(diǎn)名稱(chēng)）；把.xls數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.dat數(shù)據(jù)把.dat數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.avg數(shù)據(jù)

.dat數(shù)據(jù)的打開(kāi)方式選擇Neuroscanchannel62(電極數(shù))acquisitionrate500(采樣率)XMimum-100（epoch時(shí)的時(shí)間最小值）

point551（采樣點(diǎn)數(shù)）（二）用ICA解除偽跡---具體程序（3）ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（三）ERP的PCA分析法及適用范圍----具體程序●數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)data-driving●利用數(shù)據(jù)的相關(guān)結(jié)構(gòu)●M個(gè)連續(xù)變量-----N個(gè)成分，N<M●很難從ERP波形中確定每個(gè)ERP成分的代表性時(shí)間窗口(Lietal.,2010)例子，重讀(合適vs.不合適)×韻律邊界(合適vs.不合適)(Lietal.,2011)

ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（三）ERP的PCA分析法及適用范圍----基本原理●.avg數(shù)據(jù)的預(yù)處理

打開(kāi).avg文件，然后另存為.dat文件；

把.dat文件的擴(kuò)展名改為.xls文件，刪除基線(xiàn)上的數(shù)據(jù)、及電極名稱(chēng)；

把.xls文件的擴(kuò)展名改為.txt文件ERP數(shù)據(jù)分析中的留意事項(xiàng)（三）ERP的PCA分析法及適用范圍----基本原理●用matlab