ERP入門基本知識課件

ERP入門基本知識2004.6.41精選課件ppt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、波形的識別與結(jié)果解釋2精選課件ppt一、ERP原理及提取技術(shù)活的人腦總會不斷放電，稱為腦電（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。3精選課件ppt1.1開放電場腦電（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，而單個神經(jīng)元電活動非常微小，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)成所謂的開放電場（openfield），反之則是方向不一致相互抵消的封閉電場（closedfield）。4精選課件ppt開放電場與封閉電場圖示5精選課件ppt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)元沒有能夠形成開放電場，ERP上也是反映不出來的。6精選課件ppt影響ERP信號記錄的其它因素除神經(jīng)元的排列方式外，記錄點與神經(jīng)元活動的距離也會影響ERP信號的采集。這樣就區(qū)分出了近場源與遠(yuǎn)場源，初級體感誘發(fā)電位位于中央后回，是典型的近場源，而腦干聽覺誘發(fā)電位是典型的遠(yuǎn)場源。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。7精選課件ppt1.2ERP的兩個重要特征

事件相關(guān)腦電有兩個重要特性：潛伏期恒定、波形恒定；與此相對，自發(fā)腦電則是隨機變化的。所以，可以將同一事件多次引起的多段腦電記錄下來，但每一段腦電都是各種成分的綜合，包括自發(fā)腦電（噪音）。8精選課件ppt1.3疊加技術(shù)

將由相同刺激引起的多段腦電進行多次疊加，由于自發(fā)腦電或噪音是隨機變化，有高有低，相互疊加時就出現(xiàn)正負(fù)抵消的情況，而ERP信號則有兩個恒定，所以不會被抵消，反而其波幅會不斷增加，當(dāng)疊加到一定次數(shù)時，ERP信號就顯現(xiàn)出來了。9精選課件pptERP分段疊加顯示圖10精選課件ppt1.4ERP是平均誘發(fā)電位疊加n次后的ERP波幅增大了n倍，因而需要再除以n，使ERP恢復(fù)原形，即還原為一次刺激的ERP數(shù)值。所以ERP也稱為平均誘發(fā)電位，平均指的是疊加后的平均。這樣就獲得了所希望的事件相關(guān)電位波形圖。因此，對于ERP研究來說，為了提取事件相關(guān)腦電位變化，傳統(tǒng)上不得不進行多次重復(fù)刺激（次數(shù)記為n）?，F(xiàn)在，可以通過計算機疊加技術(shù)輕松實現(xiàn)上述過程。11精選課件ppt1.5ERP信號的優(yōu)勢與缺點ERP是刺激事件引起的實時腦電波，在時間精度可達(dá)到微秒級。極高的時間分辨率是ERP的主要優(yōu)勢，ERP也可以和行為數(shù)據(jù)，特別是反應(yīng)時間（RT）很好地配合，以研究認(rèn)知加工過程的規(guī)律。通過疊加技術(shù)獲得的與事件發(fā)生進程有鎖時（time-lock）關(guān)系的腦電就稱為事件相關(guān)電位（ERP）。12精選課件pptERP的主要弱點在于低的空間分辨率，ERP在空間上只能達(dá)到厘米級，主要的影響因素是容積導(dǎo)體效應(yīng)與封閉電場問題。另外，ERP只能采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)來實現(xiàn)腦電的源定位，比如偶極子，這種方法的可靠性也是有限的。13精選課件ppt1.6頭部定位系統(tǒng)

ERP記錄裝置是一個電極帽，上面有多個記錄或吸收頭皮放電情況的電極，這些電極在帽子上的位置是根據(jù)國際腦電圖學(xué)會1958制定的10－20系統(tǒng)（Jesper,1958）確定的。每一個電極記錄到的腦電變化代表的是特定位置頭皮上的放電情況，掌握10－20系統(tǒng)是進行ERP學(xué)術(shù)交流的條件之一。14精選課件ppt10－20系統(tǒng)的原則是頭皮電極點之間的相對距離以10%與20%來確定，并采用兩條件標(biāo)志線。一條稱為矢狀線，是從鼻根到枕外隆凸的連線，從前向后標(biāo)出5個點：Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz，F(xiàn)pz之前與Oz之后線段長度占全長10%，其余各點間距離均占全長的20%。15精選課件pptPg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2國際10—20腦電記錄系統(tǒng)（四）導(dǎo)聯(lián)方法矢狀線冠狀線16精選課件ppt另一條稱為冠狀線，是兩外耳道之間的連線，從左到右也標(biāo)出5個點：T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外側(cè)各占10%，其余各點間距離均占全長20%。注意，Cz點是兩條線的交匯點，常作為確定電極帽是否戴正的基準(zhǔn)點。17精選課件ppt二、主要ERP成分及經(jīng)典研究ERP的先驅(qū)研究者經(jīng)過四十多年的積累，發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)典的ERP成分，在發(fā)現(xiàn)這些成分時所使用的一些研究方法對于后來者有啟發(fā)。其中與心理學(xué)研究密切相關(guān)的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。18精選課件ppt2.1CNVCNV（ContingentNegativeVariation）關(guān)聯(lián)負(fù)變。實驗中，告知被試，他將得到兩個信號（聲音或閃光等），他的任務(wù)是在第一個信號出現(xiàn)后開始準(zhǔn)備反應(yīng)，但并不反應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)第二個信號之后則要盡快做出反應(yīng)；兩個信號之間的時間并不固定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩個信號之間，被試的腦電出現(xiàn)了負(fù)向偏轉(zhuǎn)（或負(fù)向變化，負(fù)變），這個腦電負(fù)向變化形成的類似高原的波形就是CNV，在被試完成按鍵反應(yīng)后CNV就消失了。19精選課件ppt疊加12次，Cz點。A:短聲,B:閃光,C:短聲+閃光。前三種情況都不出現(xiàn)CNV.第四種情況下，令被試在閃光出現(xiàn)時盡快按鍵，按鍵即將閃光終止，只有這時才出現(xiàn)CNV.20精選課件ppt這個結(jié)果是1964年由Walter等發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)年發(fā)表在Nature（203，380－384）上。Walter等發(fā)現(xiàn)CNV在Cz點最大。但由于早期的頭皮記錄點較少，一般只有幾個，所以無法解決CNV的源定位問題。CNV被認(rèn)為主要與心理因素有關(guān)。比如期待、意動、朝向反應(yīng)、覺醒、注意、動機等，可以認(rèn)為它基本上是一個綜合的心理準(zhǔn)備狀態(tài)的反映，處于緊張或應(yīng)急狀態(tài)的反映。21精選課件ppt2.2P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在當(dāng)年的Science（150，1187－1188）上。按照ERP的成分劃分方法，根據(jù)潛伏期的差異，10ms內(nèi)為早成分，10－50ms為中成分，50－500ms為晚成分，500ms以后則稱為慢波。P300顯然屬于晚成分。22精選課件pptSutton等首先報告P300（Science,1965）23精選課件pptOddball范式在發(fā)現(xiàn)P300時使用了一個稱為Oddball的經(jīng)典ERP實驗范式。Oddball實驗范式的要點是，對同一感覺通道施加兩種刺激，一種刺激出現(xiàn)概率很大，如85%，另一種刺激出現(xiàn)的概率很小，如15%。兩種刺激以隨機順序出現(xiàn)，這樣，對于被試來說，小概率刺激的出現(xiàn)具有偶然性，因為它很少才出現(xiàn)一次，感覺有點怪（Odd）。但實驗任務(wù)卻要求被試關(guān)注小概率刺激，只要小概率刺激一出現(xiàn)就盡快做出反應(yīng)?？梢娺@里的靶刺激是小概率刺激。24精選課件pptOddball范式示意圖25精選課件ppt在這種條件下，實驗記錄到在小概率刺激出現(xiàn)之后300ms時觀察到一個正波，稱為P300，這個波在Pz點附近最高。研究發(fā)現(xiàn)P300的波幅與所投入的心理資源量成正相關(guān)，其潛伏期隨任務(wù)難度增加而變長。26精選課件pptP300與任務(wù)難度P300潛伏期隨任務(wù)難度的增加而延長實線：具體人名虛線：人名性別斷線：出現(xiàn)的詞中挑出“刺”的反義詞27精選課件pptP300反映的認(rèn)知過程，一種解釋認(rèn)為，P300代表知覺任務(wù)的結(jié)束，即對所期盼的靶刺激或目標(biāo)刺激做出有意識加工時，相關(guān)頂葉或內(nèi)側(cè)顳葉部位受到激活，產(chǎn)生負(fù)電位，當(dāng)加工結(jié)束時這些部位又受到抑制，于是出現(xiàn)了P300。而Donchin（1981）認(rèn)為，P300的潛伏期反映的是對刺激物的評價或分類所需的時間，而P300波幅反映的是工作記憶中表征的更新。后一種觀點得到支持更多，這意味著P300也許可成為研究高級認(rèn)知過程，比如工作記憶的腦機制，特別是過程機制問題。28精選課件ppt另外，P300也普遍存在于哺乳動物中，如老鼠、貓、猴等，這說明P300可能代表著神經(jīng)系統(tǒng)的某種基本活動。近年來精確腦定位手段，如fMRI，發(fā)現(xiàn)P300的腦內(nèi)源不只一個，因而P300不是一個單純的成分，與多種認(rèn)知加工有關(guān)?，F(xiàn)在，P300的概念發(fā)生了變化，許多潛伏期很不相同的波形也稱為P300，這樣就成了一個家族，稱為晚正復(fù)合體（latepositivecomplex）。29精選課件ppt2.3MMNMMN（mismatchnegativity）譯為失匹配負(fù)波，它的也是采用Oddball范式得到的。經(jīng)典實驗是這樣的做的，在Oddball范式下，大概率刺激為1000Hz純音，小概率刺激為800Hz純音，分別在兩只耳朵中出現(xiàn)，讓被試進行雙耳分聽，只注意一只耳的聲音，并對小概率刺激做出反應(yīng)，不注意另一耳的聲音。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論注意與否，在約250ms內(nèi)，小概率刺激均比大概率刺激引起更高的負(fù)波。以小概率刺激引起的ERP減去大概率刺激引起的ERP，會得到一個差異波，是一個存在100－250ms之間的明顯的負(fù)波。30精選課件pptMMN圖示31精選課件pptMMN與標(biāo)準(zhǔn)刺激/偏差刺激差異的關(guān)系：隨偏差增大而增大。聲強MMN，標(biāo)準(zhǔn)刺激為80db，偏差刺激分別為57db,70db,77db。32精選課件ppt這一結(jié)果最早由Naatanen（1978）報告。隨后的一系列研究表明，MMN反映的是人腦對刺激差異的無意識加工，即使在兩種刺激都不加以注意的情況下也出現(xiàn)了MMN，這說明人腦有對刺激間差異進行無意識加工的能力，或者說人腦能夠?qū)Σ煌碳ぷ詣拥刈龀霾煌姆磻?yīng)。33精選課件ppt2.4N400N400，是研究腦的語言加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年報告，這一篇報告發(fā)表在當(dāng)年的Science（207，203－205）上。他們通過屏幕向被試呈現(xiàn)一些句子，句子的每個單詞從前往后是逐個出現(xiàn)的，先出現(xiàn)的幾個句子都是正常的符合語法和語境的。在呈現(xiàn)句子時同步記錄每個單詞呈現(xiàn)后引起的腦電變化。34精選課件ppt實驗設(shè)計前幾個句子都是正常的，最后一個句子的最后一個單詞是明顯畸義的。實驗觀察到在這個畸義詞出現(xiàn)之后400ms左右出現(xiàn)了一個新的負(fù)成分，這就是N400。35精選課件ppt語義畸異程度越大N400越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO…36精選課件ppt目前一般認(rèn)為N400與長時記憶的語義信息的提取有關(guān)。但進一步研究發(fā)現(xiàn)，與P300相似，N400也有許多子成分，分別與不同的認(rèn)知過程相關(guān)，有彼此不同的腦內(nèi)源。而且也發(fā)現(xiàn)N400不僅與語言加工有關(guān)，面孔、圖畫等非語言刺激也能誘發(fā)N400。37精選課件ppt三、刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理實驗程序采用Eprime軟件編制?；緦嶒灹鞒贪▽崟r（on-line）刺激呈現(xiàn)、頭皮腦電放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)采集）以及實驗結(jié)束后離線式（off-line）數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)的離線處理的程序：合并腦電數(shù)據(jù)與行為數(shù)據(jù)、去除眼電、分段、濾波、基線調(diào)整、排除偽跡、刪除壞電極、平均疊加、保存、總平均，共10個步驟。38精選課件pptE-Prime簡介E-Prime是實現(xiàn)心理實驗計算機化的一個可視化編程語言平臺，是一個涵蓋實驗生成到毫秒精度的數(shù)據(jù)收集分析的應(yīng)用軟件套裝。功能：實驗設(shè)計、生成、運行、收集數(shù)據(jù)、編輯和預(yù)處理分析數(shù)據(jù)39精選課件pptEprime的優(yōu)點E-Prime能呈現(xiàn)的刺激可以是文本、圖像和聲音（可以同時呈現(xiàn)三者的任意組合）提供了詳細(xì)的時間信息和事件細(xì)節(jié)（包括呈現(xiàn)時間、反應(yīng)時間的細(xì)節(jié)），可供進一步分析，有助于了解實際實驗運行的時間問題專門面向心理實驗，并針對心理實驗的時間精度作了優(yōu)化。刺激呈現(xiàn)與屏幕刷新同步，精度可達(dá)毫秒相對于傳統(tǒng)編程語言，E-Prime易學(xué)易用，實驗生成快速40精選課件pptE-Studio-InterfaceE-Studio由四個部分組成:1.Toolbox2.StructureView3.PropertiesWindow4.Workspace41精選課件pptERP實驗流程42精選課件ppt3.1合并行為數(shù)據(jù)與腦電數(shù)據(jù)（mergetaskdata）首先要保證在數(shù)據(jù)記錄時實驗過程得到完整記錄，即以時間進程為軸，使行為反應(yīng)和腦電變化得到同步記錄，實現(xiàn)鎖時（locktime），這也是事件相關(guān)腦電的本質(zhì)含義。如果行為數(shù)據(jù)與EEG數(shù)據(jù)不能同步匹配，則不能按行為操作進行平均與分析。43精選課件ppt正確合并兩種數(shù)據(jù)之后，就可以根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行分類，比如，可以看看造成被試行為反應(yīng)正確或錯誤的刺激引起的同步腦電變化是怎樣的，就可根據(jù)正確或錯誤的反應(yīng)進行分段，實現(xiàn)這種分析比較。44精選課件ppt3.2減少眼電偽跡（Ocularartifactreduction）眼電（EOG）是最常見的偽跡，對EEG影響很大，越往頭皮前部越顯著。減少眼電的方法一是刪除，一是校正，由于刪除EOG也會刪掉其他各導(dǎo)有用的數(shù)據(jù)，因此多采用校正的方法。眼電校正的方法有多種，但原理都是從EEG中減去EOG。一般步驟如下：找到眼動電位的最大值，構(gòu)建一個平均偽跡反應(yīng)，峰對峰、點對點地從EEG中減去EOG。45精選課件ppt3.3對腦電分段（Epoch）按照預(yù)設(shè)的分析時程，以刺激物發(fā)生為起點，對連續(xù)記錄的EEG數(shù)據(jù)按照事件發(fā)生時段進行分段。46精選課件ppt3.4濾波（filter）目的在于排除50Hz市電干擾和其它偽跡，這是根據(jù)頻率來處理的。在Type設(shè)置時，需要注意，所謂的低通（lowpass）是讓所有頻率低于設(shè)定值的信號通過，實際上是設(shè)定一個可通過頻率的最大值；而高通（highpass）是讓所有頻率高于設(shè)定值的信號通過，實際上是設(shè)定一個可通過頻率的最小值。另外，帶通（bandpass）是讓介于兩個頻率值之間的信號通過，而帶阻（bassstop）則是讓兩個頻率值之外的信號通過。47精選課件ppt3.5基線校正（baselinecorrect）校正時一般選擇所有導(dǎo)聯(lián)（allchannel），即對所有電極點都進行校正?；€是根據(jù)Epoch時設(shè)置的刺激前到0點的時間段上的波形，一般設(shè)定為100ms。48精選課件ppt3.6排除偽跡（artifactrejection）這也是對波幅進行處理，不過它可以針對一導(dǎo)或多導(dǎo)，根據(jù)某一范圍的數(shù)值，比如±100μV，超出這一范圍的成分則被刪除。49精選課件ppt3.7刪除壞電極通道（deletebadchannels）進入電極狀態(tài)圖，如果電極是壞的，將顯示為紅色，對這些紅色電極加以雙擊使之變成綠色，然后確定即刪除壞電極。50精選課件ppt3.8平均（average）根據(jù)需要，選取timedomain或frequencydomain進行平均疊加。這一步主要是對相同任務(wù)引起的刺激加以疊加。51精選課件ppt3.9保存（outputfile）將生成的平均文件存盤。在數(shù)據(jù)處理過程中要多次保存，每次保存的文件名要取為相同，不要擔(dān)心被覆蓋，因為后綴名是不同的。52精選課件ppt3.10總平均（grandaverage）現(xiàn)在的可以生成自動批處理文件，由于不同被試做的任務(wù)相同，所以腦電數(shù)據(jù)的處理一般也是相同，如果每個被試的數(shù)據(jù)都逐一設(shè)置則非常費時費力?？梢酝ㄟ^對一個被試數(shù)據(jù)的處理，嘗試各個參數(shù)的最佳值，然后將這些設(shè)置保存成批處理文件，如此可對所有被試的數(shù)據(jù)很快地處理完。分析者可以相當(dāng)輕松。早期ERP報告都是報告?zhèn)€別被試的幾個電極點的腦電變化，現(xiàn)在由于計算機技術(shù)的發(fā)展能夠做到對多個被試的數(shù)據(jù)進行總平均了，現(xiàn)在報告的ERP圖形一般都是總平均圖。53精選課件ppt注意行為數(shù)據(jù)的采集，包括反應(yīng)時間、按鍵反應(yīng)、正確率和錯誤率、以及事后的口語報告（由于口語報告會產(chǎn)生大量肌電，所以ERP研究一般不能進行實時的口語報告或出聲思維）54精選課件ppt四、波形的識別與測量得到一系列波形后，要從中識別不同成分以及成分所代表的心理意義是ERP研究的技術(shù)難點。一般通過峰潛伏期、波形及其頭皮分布，參照總平均圖與相關(guān)研究文獻進行判斷，而豐富的經(jīng)驗也很重要。波幅測量有基線－波峰和波峰－波峰兩種，潛伏期常以刺激起始點到波峰頂點之間的時間段代表。一般認(rèn)為，波幅反映大腦的興奮性高低，而潛伏期則是神經(jīng)活動與加工過程的速度與評價的時間。55精選課件ppt-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潛伏期基線——峰峰——峰56精選課件ppt4.1定性分析將不同事件（條件）引起的腦電波形加以比較，重點比較的內(nèi)容包括：潛伏期、始潛時和波幅等指標(biāo)，兩種條件造成的波形在頭皮上的分布情況，以及定位分析。然后進行源定位分析，包括腦地形圖、偶極子定位等。57精選課件ppt①設(shè)置條件1與條件2，分別產(chǎn)生A峰B峰。②測量并比較峰A與峰B的潛伏期、始潛時、波幅等指標(biāo)。③比較條件1與條件2的波形在頭皮的分布。定性分析58精選課件ppt相減技術(shù)相減技術(shù)的運用，對于提取更為純粹的、與心理機制相關(guān)的ERP成分具有重要意義。59精選課件ppt4.2腦電地形圖是將腦電信號轉(zhuǎn)換成一種既能定量也能定性的腦波圖形，可以將大腦在某一時間點上的功能變化與形態(tài)定位有機地結(jié)合起來（將功能狀態(tài)與激活狀態(tài)結(jié)合起來）。地形圖中相同顏色的區(qū)域代表激活程度相同（電壓相等）。要繪出腦地形圖至少需要12導(dǎo)記錄電極，理論上越多越好。腦電地形圖可以看作大腦各部位的激活在頭皮上的表現(xiàn)。地形圖可分為二維（平面）地形圖、三維（立體）地形圖和實際頭形地形圖。60精選課件ppt根據(jù)圖形的