ER入門(mén)基本知識(shí)

ERP入門(mén)基本知識(shí)張明浩201204181內(nèi)容結(jié)構(gòu)一、ERP原理及提取技術(shù)二、主要ERP成分及經(jīng)典研究三、刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理四、波形的識(shí)別與結(jié)果解釋五、面部識(shí)別的ERP研究2一、ERP原理及提取技術(shù)ERP：eventrelatedpotentials狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，作用于感覺(jué)系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤銷(xiāo)刺激時(shí)，在腦區(qū)所引起的電位變化?；畹娜四X總會(huì)不斷放電，稱(chēng)為腦電（EEG），但成分復(fù)雜而不規(guī)則。正常的自發(fā)腦電一般處于幾微伏到75微伏之間。而由心理活動(dòng)所引起的腦電比自發(fā)腦電更弱，一般只有2到10微伏，通常淹埋在自發(fā)電位中。所以ERP需要從EEG中提取。3EEG一般是由頭皮表面電極記錄得到的。它的諧波成分相當(dāng)復(fù)雜，看上去是一種連續(xù)而不規(guī)則的電位波動(dòng)。健康成年人在清醒狀態(tài)下，頭皮表面記錄的EEG為數(shù)微伏至75微伏左右，但在病理狀態(tài)下（如癲癇發(fā)作時(shí)）可達(dá)1毫伏以上。腦的心理活動(dòng)所產(chǎn)生的腦電信號(hào)通常比自發(fā)電位小，它被淹埋在自發(fā)電位中而難以觀察。僅從EEG也很難獲得關(guān)于復(fù)雜認(rèn)知的起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、時(shí)間順序等信息。實(shí)際上，在自發(fā)電位水平上，并沒(méi)有觀察到腦的心理活動(dòng)所產(chǎn)生的腦電信號(hào)本身。采用計(jì)算機(jī)疊加技術(shù)可將這種信號(hào)從自發(fā)電位中提取出來(lái)。這樣提取出來(lái)的信號(hào)就是ERP。它是刺激事件（包括物理刺激和心理因素）引起的腦電真實(shí)的實(shí)時(shí)波形，時(shí)間分辨率可精確至微秒級(jí)。由于ERP是刺激誘發(fā)產(chǎn)生的，故又稱(chēng)誘發(fā)電位(evokedpotentials,簡(jiǎn)稱(chēng)EP)。41.1開(kāi)放電場(chǎng)腦電（EEG）是由于皮質(zhì)大量神經(jīng)組織的突觸后電位同步總和而成，而單個(gè)神經(jīng)元電活動(dòng)非常微小，不能在頭皮記錄到，只有神經(jīng)元群的同步放電才能記錄到。這種腦組織神經(jīng)元排列方向一致的情況，構(gòu)成所謂的開(kāi)放電場(chǎng)（openfield），反之則是方向不一致相互抵消的封閉電場(chǎng)（closedfield）。5開(kāi)放電場(chǎng)與封閉電場(chǎng)圖示6因此，ERP只能反映某些腦部的激活情況，而有些腦部即使處于激活狀態(tài)，但由于其神經(jīng)元沒(méi)有能夠形成開(kāi)放電場(chǎng)，ERP上也是反映不出來(lái)的。7影響ERP信號(hào)記錄的其它因素除神經(jīng)元的排列方式外，記錄點(diǎn)與神經(jīng)元活動(dòng)的距離也會(huì)影響ERP信號(hào)的采集。這樣就區(qū)分出了近場(chǎng)源與遠(yuǎn)場(chǎng)源，初級(jí)體感誘發(fā)電位位于中央后回，是典型的近場(chǎng)源，而腦干聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位是典型的遠(yuǎn)場(chǎng)源。離頭皮越遠(yuǎn)則電位衰減越厲害，記錄到的腦電波幅也很小。81.2ERP的兩個(gè)重要特征

事件相關(guān)腦電有兩個(gè)重要特性：潛伏期恒定、波形恒定；與此相對(duì)，自發(fā)腦電則是隨機(jī)變化的。所以，可以將同一事件多次引起的多段腦電記錄下來(lái)，但每一段腦電都是各種成分的綜合，包括自發(fā)腦電（噪音）。91.3疊加技術(shù)

將由相同刺激引起的多段腦電進(jìn)行多次疊加，由于自發(fā)腦電或噪音是隨機(jī)變化，有高有低，相互疊加時(shí)就出現(xiàn)正負(fù)抵消的情況，而ERP信號(hào)則有兩個(gè)恒定，所以不會(huì)被抵消，反而其波幅會(huì)不斷增加，當(dāng)疊加到一定次數(shù)時(shí)，ERP信號(hào)就顯現(xiàn)出來(lái)了。10ERP分段段疊加加顯示示圖111.4ERP是平平均誘誘發(fā)電電位疊加n次后后的ERP波幅幅增大大了n倍，，因而而需要要再除除以n，使使ERP恢恢復(fù)原原形，，即還還原為為一次次刺激激的ERP數(shù)值值。所所以ERP也稱(chēng)稱(chēng)為平平均誘誘發(fā)電電位，，平均均指的的是疊疊加后后的平平均。。這樣樣就獲獲得了了所希希望的的事件件相關(guān)關(guān)電位位波形形圖。。因此，，對(duì)于于ERP研研究來(lái)來(lái)說(shuō)，，為了了提取取事件件相關(guān)關(guān)腦電電位變變化，，傳統(tǒng)統(tǒng)上不不得不不進(jìn)行行多次次重復(fù)復(fù)刺激激（次次數(shù)記記為n）。?，F(xiàn)在在，可可以通通過(guò)計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)疊加加技術(shù)術(shù)輕松松實(shí)現(xiàn)現(xiàn)上述述過(guò)程程。121.5ERP信號(hào)號(hào)的優(yōu)優(yōu)勢(shì)與與缺點(diǎn)點(diǎn)ERP是刺刺激事事件引引起的的實(shí)時(shí)時(shí)腦電電波，，在時(shí)時(shí)間精精度可可達(dá)到到微秒秒級(jí)。。極高高的時(shí)時(shí)間分分辨率率是ERP的主主要優(yōu)優(yōu)勢(shì)，，ERP也也可以以和行行為數(shù)數(shù)據(jù)，，特別別是反反應(yīng)時(shí)時(shí)間（（RT）很很好地地配合合，以以研究究認(rèn)知知加工工過(guò)程程的規(guī)規(guī)律。。通過(guò)疊疊加技技術(shù)獲獲得的的與事事件發(fā)發(fā)生進(jìn)進(jìn)程有有鎖時(shí)時(shí)（time-lock）關(guān)關(guān)系的的腦電電就稱(chēng)稱(chēng)為事事件相相關(guān)電電位（（ERP））。13ERP的主主要弱弱點(diǎn)在在于低低的空空間分分辨率率，ERP在空空間上上只能能達(dá)到到厘米米級(jí)，，主要要的影影響因因素是是容積積導(dǎo)體體效應(yīng)應(yīng)與封封閉電電場(chǎng)問(wèn)問(wèn)題。。另外外，ERP只能能采用用數(shù)學(xué)學(xué)推導(dǎo)導(dǎo)來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)腦腦電的的源定定位，，比如如偶極極子，，這種種方法法的可可靠性性也是是有限限的。。141.6頭部定定位系系統(tǒng)ERP記錄錄裝置置是一一個(gè)電電極帽帽，上上面有有多個(gè)個(gè)記錄錄或吸吸收頭頭皮放放電情情況的的電極極，這這些電電極在在帽子子上的的位置置是根根據(jù)國(guó)國(guó)際腦腦電圖圖學(xué)會(huì)會(huì)1958制定定的10－－20系統(tǒng)統(tǒng)（Jesper,1958））確定定的。。每一個(gè)個(gè)電極極記錄錄到的的腦電電變化化代表表的是是特定定位置置頭皮皮上的的放電電情況況，掌掌握10－－20系統(tǒng)統(tǒng)是進(jìn)進(jìn)行ERP學(xué)術(shù)術(shù)交流流的條條件之之一。。1510－－20系統(tǒng)統(tǒng)的原原則是是頭皮皮電極極點(diǎn)之之間的的相對(duì)對(duì)距離離以10%與20%來(lái)確確定，，并采采用兩兩條件件標(biāo)志志線。。一條稱(chēng)稱(chēng)為矢矢狀線線，是是從鼻鼻根到到枕外外隆凸凸的連連線，，從前前向后后標(biāo)出出5個(gè)個(gè)點(diǎn)：：Fpz、、Fz、Cz、、Pz、Oz，，F(xiàn)pz之之前與與Oz之后后線段段長(zhǎng)度度占全全長(zhǎng)10%，其其余各各點(diǎn)間間距離離均占占全長(zhǎng)長(zhǎng)的20%。16Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2國(guó)際10—20腦電記錄錄系統(tǒng)（四）導(dǎo)聯(lián)方方法矢狀線冠狀線17另一條稱(chēng)為冠冠狀線，是兩兩外耳道之間間的連線，從從左到右也標(biāo)標(biāo)出5個(gè)點(diǎn)：：T3、C3、Cz、C4、T4。。T3和T4外側(cè)各占10%，其余余各點(diǎn)間距離離均占全長(zhǎng)20%。注意，Cz點(diǎn)點(diǎn)是兩條線的的交匯點(diǎn)，常常作為確定電電極帽是否戴戴正的基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)。18二、主要ERP成分及經(jīng)典研研究ERP的先驅(qū)研究者者經(jīng)過(guò)四十多多年的積累，，發(fā)現(xiàn)了一些些經(jīng)典的ERP成分，在發(fā)現(xiàn)現(xiàn)這些成分時(shí)時(shí)所使用的一一些研究方法法對(duì)于后來(lái)者者有啟發(fā)。其中與心理學(xué)學(xué)研究密切相相關(guān)的成分主主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。192.1CNVCNV（ContingentNegativeVariation）關(guān)聯(lián)負(fù)變。。實(shí)驗(yàn)中，告告知被試，他他將得到兩個(gè)個(gè)信號(hào)（聲音音或閃光等）），他的任務(wù)務(wù)是在第一個(gè)個(gè)信號(hào)出現(xiàn)后后開(kāi)始準(zhǔn)備反反應(yīng)，但并不不反應(yīng)，當(dāng)出出現(xiàn)第二個(gè)信信號(hào)之后則要要盡快做出反反應(yīng)；兩個(gè)信信號(hào)之間的時(shí)時(shí)間并不固定定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在在兩個(gè)信號(hào)之之間，被試的的腦電出現(xiàn)了了負(fù)向偏轉(zhuǎn)（（或負(fù)向變化化，負(fù)變），，這個(gè)腦電負(fù)負(fù)向變化形成成的類(lèi)似高原原的波形就是是CNV，在被試完成成按鍵反應(yīng)后后CNV就消失了。20疊加12次，，Cz點(diǎn)。A:短聲,B:閃光,C:短聲聲+閃光。前三種情況都都不出現(xiàn)CNV.第四種情況下下，令被試在在閃光出現(xiàn)時(shí)時(shí)盡快按鍵，，按鍵即將閃閃光終止，只只有這時(shí)才出出現(xiàn)CNV.21這個(gè)結(jié)果是1964年由Walter等發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)當(dāng)年發(fā)表在Nature（203，380－384）上。Walter等發(fā)現(xiàn)CNV在Cz點(diǎn)最大。但由由于早期的頭頭皮記錄點(diǎn)較較少，一般只只有幾個(gè)，所所以無(wú)法解決決CNV的源定位問(wèn)題題。CNV被認(rèn)為主要與與心理因素有有關(guān)。比如期期待、意動(dòng)、、朝向反應(yīng)、、覺(jué)醒、注意意、動(dòng)機(jī)等，，可以認(rèn)為它它基本上是一一個(gè)綜合的心心理準(zhǔn)備狀態(tài)態(tài)的反映，處處于緊張或應(yīng)應(yīng)急狀態(tài)的反反映。222.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年發(fā)現(xiàn)，發(fā)表表在當(dāng)年的Science（150，1187－1188）上。按照ERP的成分劃分方方法，根據(jù)潛潛伏期的差異異，10ms內(nèi)為早成分，，10－50ms為中成分，50－500ms為晚成分，500ms以后則稱(chēng)為慢慢波。P300顯然屬于晚成成分。23Sutton等首先報(bào)告告P300（（Science,1965）24Oddball范式在發(fā)現(xiàn)P300時(shí)使用了一個(gè)個(gè)稱(chēng)為Oddball的經(jīng)典ERP實(shí)驗(yàn)范式。Oddball實(shí)驗(yàn)范式的要要點(diǎn)是，對(duì)同同一感覺(jué)通道道施加兩種刺刺激，一種刺刺激出現(xiàn)概率率很大，如85%，另一種刺激激出現(xiàn)的概率率很小，如15%。兩種刺激以隨隨機(jī)順序出現(xiàn)現(xiàn)，這樣，對(duì)對(duì)于被試來(lái)說(shuō)說(shuō)，小概率刺刺激的出現(xiàn)具具有偶然性，，因?yàn)樗苌偕俨懦霈F(xiàn)一次次，感覺(jué)有點(diǎn)點(diǎn)怪（Odd）。但實(shí)驗(yàn)任任務(wù)卻要求被被試關(guān)注小概概率刺激，只只要小概率刺刺激一出現(xiàn)就就盡快做出反反應(yīng)。可見(jiàn)這這里的靶刺激激是小概率刺刺激。25Oddball范式示意意圖26在這種條件下下，實(shí)驗(yàn)記錄錄到在小概率率刺激出現(xiàn)之之后300ms時(shí)觀察到一個(gè)個(gè)正波，稱(chēng)為為P300，這個(gè)波在Pz點(diǎn)附近最高。。研究發(fā)現(xiàn)P300的波幅與所投投入的心理資資源量成正相相關(guān)，其潛伏伏期隨任務(wù)難難度增加而變變長(zhǎng)。27P300與任任務(wù)難度P300潛伏伏期隨任務(wù)難難度的增加而而延長(zhǎng)實(shí)線：具體人人名虛線：人名性性別斷線：出現(xiàn)的的詞中挑出““刺”的反義義詞28P300反映的認(rèn)知過(guò)過(guò)程，一種解解釋認(rèn)為，P300代表知覺(jué)任務(wù)務(wù)的結(jié)束，即即對(duì)所期盼的的靶刺激或目目標(biāo)刺激做出出有意識(shí)加工工時(shí)，相關(guān)頂頂葉或內(nèi)側(cè)顳顳葉部位受到到激活，產(chǎn)生生負(fù)電位，當(dāng)當(dāng)加工結(jié)束時(shí)時(shí)這些部位又又受到抑制，，于是出現(xiàn)了了P300。而Donchin（1981）認(rèn)為，P300的潛伏期反映映的是對(duì)刺激激物的評(píng)價(jià)或或分類(lèi)所需的的時(shí)間，而P300波幅反映的是是工作記憶中中表征的更新新。后一種觀觀點(diǎn)得到支持持更多，這意意味著P300也許可成為研研究高級(jí)認(rèn)知知過(guò)程，比如如工作記憶的的腦機(jī)制，特特別是過(guò)程機(jī)機(jī)制問(wèn)題。29另外，P300也普遍存在于于哺乳動(dòng)物中中，如老鼠、、貓、猴等，，這說(shuō)明P300可能代表著神神經(jīng)系統(tǒng)的某某種基本活動(dòng)動(dòng)。近年來(lái)精確腦腦定位手段，，如fMRI，發(fā)現(xiàn)P300的腦內(nèi)源不只只一個(gè)，因而而P300不是一個(gè)單純純的成分，與與多種認(rèn)知加加工有關(guān)?，F(xiàn)現(xiàn)在，P300的概念發(fā)生了了變化，許多多潛伏期很不不相同的波形形也稱(chēng)為P300，這樣就成了了一個(gè)家族，，稱(chēng)為晚正復(fù)復(fù)合體（latepositivecomplex）。302.3MMNMMN（mismatchnegativity）譯為失匹配配負(fù)波，它的的也是采用Oddball范式得到的。。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是是這樣的做的的，在Oddball范式下，大概概率刺激為1000Hz純音，小概率率刺激為800Hz純音，分別在在兩只耳朵中中出現(xiàn)，讓被被試進(jìn)行雙耳耳分聽(tīng)，只注注意一只耳的的聲音，并對(duì)對(duì)小概率刺激激做出反應(yīng)，，不注意另一一耳的聲音。。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)無(wú)論注意與否否，在約250ms內(nèi)，小概率刺刺激均比大概概率刺激引起起更高的負(fù)波波。以小概率率刺激引起的的ERP減去大概率刺刺激引起的ERP，會(huì)得到一個(gè)個(gè)差異波，是是一個(gè)存在100－250ms之間的明顯的的負(fù)波。31MMN圖示32MMN與標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)刺激/偏差差刺激差異的的關(guān)系：隨偏偏差增大而增增大。聲強(qiáng)MMN，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)刺激為80db，偏差差刺激分別為為57db,70db,77db。33這一結(jié)果最早早由Naatanen（1978）報(bào)告。隨后后的一系列研研究表明，MMN反映的是人腦腦對(duì)刺激差異異的無(wú)意識(shí)加加工，即使在在兩種刺激都都不加以注意意的情況下也也出現(xiàn)了MMN，這說(shuō)明人腦腦有對(duì)刺激間間差異進(jìn)行無(wú)無(wú)意識(shí)加工的的能力，或者者說(shuō)人腦能夠夠?qū)Σ煌碳ぜぷ詣?dòng)地做出出不同的反應(yīng)應(yīng)。342.4N400N400，是研究腦的的語(yǔ)言加工原原理的常用ERP成分，最早由由Kutas于1980年報(bào)告，這一一篇報(bào)告發(fā)表表在當(dāng)年的Science（207，203－205）上。他們通通過(guò)屏幕向被被試呈現(xiàn)一些些句子，句子子的每個(gè)單詞詞從前往后是是逐個(gè)出現(xiàn)的的，先出現(xiàn)的的幾個(gè)句子都都是正常的符符合語(yǔ)法和語(yǔ)語(yǔ)境的。在呈呈現(xiàn)句子時(shí)同同步記錄每個(gè)個(gè)單詞呈現(xiàn)后后引起的腦電電變化。35實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前幾幾個(gè)句子都是是正常的，最最后一個(gè)句子子的最后一個(gè)個(gè)單詞是明顯顯畸義的。實(shí)實(shí)驗(yàn)觀察到在在這個(gè)畸義詞詞出現(xiàn)之后400ms左右出現(xiàn)了一一個(gè)新的負(fù)成成分，這就是是N400。36語(yǔ)義畸異異程度越越大N400越越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO……37目前一般般認(rèn)為N400與長(zhǎng)時(shí)記記憶的語(yǔ)語(yǔ)義信息息的提取取有關(guān)。。但進(jìn)一一步研究究發(fā)現(xiàn)，，與P300相似，N400也有許多多子成分分，分別別與不同同的認(rèn)知知過(guò)程相相關(guān)，有有彼此不不同的腦腦內(nèi)源。。而且也也發(fā)現(xiàn)N400不僅與語(yǔ)語(yǔ)言加工工有關(guān)，，面孔、、圖畫(huà)等等非語(yǔ)言言刺激也也能誘發(fā)發(fā)N400。38三、刺激激呈現(xiàn)與與數(shù)據(jù)處處理實(shí)驗(yàn)程序序采用Eprime軟件編制制?；緦?shí)驗(yàn)驗(yàn)流程包包括實(shí)時(shí)時(shí)（on-line）刺激呈呈現(xiàn)、頭頭皮腦電電放大、、模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換（數(shù)數(shù)據(jù)采集集）以及及實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)束后離離線式（（off-line）數(shù)據(jù)分分析。數(shù)據(jù)的離離線處理理的程序序：合并并腦電數(shù)數(shù)據(jù)與行行為數(shù)據(jù)據(jù)、去除除眼電、、分段、、濾波、、基線調(diào)調(diào)整、排排除偽跡跡、刪除除壞電極極、平均均疊加、、保存、、總平均均，共10個(gè)步步驟。39四、波形形的識(shí)別別與測(cè)量量得到一系系列波形形后，要要從中識(shí)識(shí)別不同同成分以以及成分分所代表表的心理理意義是是ERP研究的技技術(shù)難點(diǎn)點(diǎn)。一般般通過(guò)峰峰潛伏期期、波形形及其頭頭皮分布布，參照照總平均均圖與相相關(guān)研究究文獻(xiàn)進(jìn)進(jìn)行判斷斷，而豐豐富的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)也很很重要。。波幅測(cè)量量有基線線－波峰峰和波峰峰－波峰峰兩種，，潛伏期期常以刺刺激起始始點(diǎn)到波波峰頂點(diǎn)點(diǎn)之間的的時(shí)間段段代表。。一般認(rèn)認(rèn)為，波波幅反映映大腦的的興奮性性高低，，而潛伏伏期則是是神經(jīng)活活動(dòng)與加加工過(guò)程程的速度度與評(píng)價(jià)價(jià)的時(shí)間間。40-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潛伏期基線———峰峰——峰峰414.1定定性分分析將不同事事件（條條件）引引起的腦腦電波形形加以比比較，重重點(diǎn)比較較的內(nèi)容容包括：：潛伏期期、始潛潛時(shí)和波波幅等指指標(biāo)，兩兩種條件件造成的的波形在在頭皮上上的分布布情況，，以及定定位分析析。然后進(jìn)行行源定位位分析，，包括腦腦地形圖圖、偶極極子定位位等。42①設(shè)設(shè)置條件件1與條條件2，，分別產(chǎn)產(chǎn)生A峰峰B峰。。②測(cè)測(cè)量并比比較峰A與峰B的潛伏伏期、始始潛時(shí)、、波幅等等指標(biāo)。。③比比較條件件1與條條件2的的波形在在頭皮的的分布。。定性分析析43相減技術(shù)術(shù)相減技術(shù)術(shù)的運(yùn)用用，對(duì)于于提取更更為純粹粹的、與與心理機(jī)制制相關(guān)的的ERP成分具具有重要要意義。。444.2腦腦電地地形圖是將腦電電信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成一一種既能能定量也也能定性性的腦波波圖形，，可以將將大腦在在某一時(shí)時(shí)間點(diǎn)上上的功能能變化與與形態(tài)定定位有機(jī)機(jī)地結(jié)合合起來(lái)（（將功能能狀態(tài)與與激活狀狀態(tài)結(jié)合合起來(lái)））。地形形圖中相相同顏色色的區(qū)域域代表激激活程度度相同（（電壓相相等）。。要繪出出腦地形形圖至少少需要12導(dǎo)記錄電電極，理理論上越越多越好好。腦電地形形圖可以以看作大大腦各部部位的激激活在頭頭皮上的的表現(xiàn)。。地形圖圖可分為為二維（（平面））地形圖圖、三維維（立體體）地形形圖和實(shí)實(shí)際頭形形地形圖圖。45根據(jù)圖形形的色彩彩或形式式，可將將地形圖圖分為：：彩色地地形圖、、灰度地地形圖、、等高線線地形圖圖464.3偶偶極子子定位偶極子（（dipole）是由多多對(duì)數(shù)值值相等、、符號(hào)相相反的電電荷，彼彼此相隔隔一定距距離時(shí)形形成的體體系。偶偶極子被被認(rèn)為是是ERP的腦內(nèi)源源。在神經(jīng)沖沖動(dòng)的傳傳導(dǎo)過(guò)程程中，在在兩個(gè)神神經(jīng)元之之間的突突觸處形形成負(fù)離離子占優(yōu)優(yōu)，在下下一個(gè)神神經(jīng)元的的頂樹(shù)突