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ERP笔记整理2
目录
一、脑电图(EEG)3
(一)脑电图定义3
(二)EEG与人体的意识水平3
二、事件相关脑电位3
(一)事件相关脑电位(ERP):
3
1.事件相关脑电位定义3
2.脑电变化。
3
(一)ERP的平均叠加3
(二)电压放大倍数3
(三)时间常数3
(四)频带宽度4
三、ERP的基本技术4
(一)刺激材料与刺激程序4
1.刺激物分类4
(二)刺激序列4
1.刺激呈现时间4
(1)刺激呈现时间长度与任务难度4
(2)人的主观感觉4
(3)撤反应4
2.刺激间隔4
3.重叠成分的消除5
(1)高通滤波5
(2)低通滤波5
(四)实验模式5
1.Oddball模式5
(1)Oddball实验模式5
(2)Oddball与P3005
(3)Oddball范式分类5
2.Go-Nogo模式5
(1)Go-Nogo模式定义5
(2)特点5
3.视觉空间注意的经典模式5
4.记忆的经典模式5
(1)直接或外显再认实验5
四、主成分分析法(PCA)8
(一)主成分分析模型8
(二)PCA8
五、ERP原理及提取技术10
(一)物理因素14
1.刺激的概率:
14
(二)心理因素14
一、脑电位
(一)脑电图(EEG)是借助电极从头皮连续记录的交流型电活动。
(二)EEG与人体的意识水平也密切相关:
当大脑活动增加时,EEG节律增高而波幅降低;在醒闭目的假寐状态下,a波出现;在浅睡眠状态,EEG节律逐渐减慢;当睡眠加深,眼动加快—快速眼动睡眠(REMsleep);在深度睡眠中,以波为主;EEG消失是诊断脑死亡的最主要指标。
二、事件相关脑电位
(一)事件相关脑电位(ERP):
1.是与实际刺激或预期刺激(声、光、电)有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波。
2.脑电变化十分微弱(0.1-20AV),掩埋在自发脑电位(波幅范围士100tLV,其频率范围在40Hz左右)中难以观察,但利用诱发电位固定的锁时关系,经过计算机的叠加处理,则可以提取出ERP成分。
(二)ERP的平均叠加:
在反复呈现相同刺激的过程中,与刺激有锁时关系的、时间和方向上一致的电位活动逐渐增大,而与刺激无锁时关系的随机的背景电活动则相互抵消,逐渐减小。
(三)电压放大倍数:
放大倍数又称增益。
电压放大倍数一般是指对异相信号的电压放大倍数,其数值常用分贝(dB)表示。
(四)时间常数:
1.时间常数(TC)是对频带宽度低端频率响应的描述方式。
2.时间常数的设定数值直接影响ERP波形是否失真。
3.各电生理信号常用的时间常数为:
心电时间常数(ECG)1-2s,脑电(EEG)0.3s,肌电(EMG)0.1s,神经动作电位0.05s
(五)频带宽度:
1.任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行正常放大,超过其频率范围的信号(即频率过高或频率过低的信号)经过放大器后放大倍数就会降低甚至失真。
放大器的这个频率范围称为频带宽度,用以描述放大器频带宽度的曲线称为频率响应曲线。
2.ERP使用的放大器的频带宽度是可以调节的。
第二节ERP的基本技术
一、刺激材料与刺激程序
(一)刺激物分类
1.视觉刺激:
分类:
非图形刺激;图形刺激。
参数:
视角;亮度;照度;对比度
2.听觉刺激:
分类:
纯音;短声;白噪声;语音参数:
频率;声压级
3.体感刺激。
指人体所能承受的微弱脉冲电流。
(二)刺激序列
1.刺激呈现时间:
(1)刺激呈现时间长度与任务难度成反比
(2)当呈现时间短到一定程度,人就不能主观感觉到这个刺激,可利用此特性进行非意识的启动研究
(3)撤反应,即刺激物消失也能导致ERP波形的微小改变,避免撤反应的措施一是将刺激呈现时间适当延长或缩短,二是利用相减的办法。
2.刺激间隔:
SOA:
从起点到起点;ISI:
从止点到起点。
在确定刺激间隔应注意:
(1)短间隔将导致ERP成分,特别是早期成分的重叠;
(2)预留足够被试完成作业的反应时间;
(3)间隔过长可能浪费硬盘空间,并延长不必要的实验时间;
(4)刺激间隔与任务难度成反比。
3.重叠成分的消除:
(1)高通滤波增加可以减弱ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。
(2)低通滤波采用不同间隔随机化,可以部分消除邻近的ERP重叠成分。
(四)实验模式
1.Oddball模式:
(1)Oddball实验模式是指采用两种或多种不同的声音或图像,不同的刺激持续交替呈现,出现的概率显著不同,让被试对偏差刺激进行操作反应。
(2)Oddball模式是产生P300,MMN等与刺激概率有关的ERP成分中,常用的经典实验模式。
(3)Oddball模式又分若干亚类:
两种刺激物;同样两种刺激物;三种刺激物。
2.Go-Nogo模式:
(1)Go-Nogo模式:
标准刺激与偏差刺激之间概率相等,需要被试反应的刺激叫做Go刺激,不需被试反应的刺激叫做Nogo刺激。
(2)该模式的特点是排除了刺激概率对ERP的影响,节省了实验时间,这是它突出的优点;但也丢掉了因大、小概率差异而产生的ERP数据。
3.视觉空间注意的经典模式:
(1)经典视觉注意的实验范式:
闪光随机呈现于左右视野,让被试注意某一侧而忽视另一侧。
(2)当被试注意视野左侧,而白色光标也出现左侧视野时,刺激物诱发的P1与N1成分比注意右侧视野的条件明显增大。
(3)在以上实验条件下,发现在P1、N1的前面还有一个小成分C1,C1在注意与忽视条件下其波幅无明显改变。
4.记忆的经典模式:
(1)直接或外显再认实验:
经典的再认实验范式:
首先呈现一组项目,被试无需反应;其中一半在随后的一组中重复呈现,被试对重复出现的项目按键反应。
连续再认实验:
呈现的项目中,一半是上一组曾经出现过的,另一半则是下一组将要出现的,被试分别用左右手按键。
连续再认实验范式与传统到记忆再认范式不同,学习与测验阶段混合以便再次呈现项目时为正负之间的转换,并且记忆负荷在量上是连续增加的。
(2)间接或内隐再认实验:
常见的一种实验范式为混合呈现词与非词,被试的任务是识别词与非词。
另一种范式是对某种特定含义的词反应。
实验中被试均不对重复出现的字词反应,因而这种记忆是间接的或内隐的。
二、脑电数据的采集与记录
(一)电极导联
1.将头皮上的一个电极的电位设置为零,这个电极称为参考电极。
2.另外一个或多个电极与参考电极的电位差即是该电极的电位值,这些电极叫做记录电极。
3.采用一个公共参考电极与多个记录电极的方法叫单极导联法,脑电记录常用此法。
4.记录两个点之间的相对电位差,称为双极导联法。
(二)记录电极安放
1.国际脑电图学会在40多年前制定了全球统一的10-20国际脑电记录系统沿用至今。
2.矢状线:
从鼻根至枕外隆凸的连线,又称中线。
从前往后标出5个记录点:
Fpz,Fz,
3.Cz,Pz和Oz,Fpz与Oz各占中线全长的1006,其余3点各占20%。
4.冠状线:
两外耳道之间的连线。
从左至右也是5个点:
T3,C3,CZ,C4和Too外侧的
5.T3与T4占10%,其余3点各占20%。
CZ是矢状线与冠状线的交点,因而常作为基准点。
6.为美国脑电图学会推荐的标准电极点。
(三)记录参数
1.分析时间与基线:
根据实验模式和研究目的设定分析时间,一般经典的ERP分析多在1000ms之内。
刺激发生前的基线常设为100-200ms.
2.频带宽度:
使其仅够放大拟研究的ERP信号,落在频带外的噪声与干扰信号则不被放大,达到排除目的。
频带宽度一般为0.01,0.05或0.1-40,60或100Hz.
3.伪迹的排除与校正:
眼电是最为常见的伪迹,目前多对其校正,以免丢失过多的脑电数据。
4.皮肤阻抗<5k2,参考点的皮肤阻抗尤为重要。
5.采样频率与时间分辨率成正比,例如250Hz的采样频率,时间分辨率为4ms.
三、ERP数据处理与分析
(一)波形平均与叠加步骤
1.提取并打开连续脑电文件。
2.合并任务数据。
须保证实验过程被完整保存。
3.眼电伪迹校正。
4.对脑电分段:
按照预设的“分析时间”,以刺激物发生为起点,对连续记录的EEG进行分段。
5.滤波:
排除50Hz干扰,以及其他伪迹。
6.基线校正:
基线校正的目的是在当前波形文件中校正DC偏差。
7.排除伪迹。
8.平均,为使ERP信号从噪声中分离出来,必须充分平均叠加。
四、脑地形图
(一)脑电地形图:
是指将放大的脑电信号转换成一种既能定量、又能定性的脑电图形,可使大脑在某一时间的功能变化与形态定位有机地结合。
2.分类:
(1)根据脑电信号:
EEG频率地形图,针对不同的频段,包括。
波、p波、。
波,8波和近年受到关注的40Hz脑电;ERP波幅地形图。
(2)根据图形的色彩或形式:
彩色地形图、灰度地形图、等高线地形图。
这三种地形图所表达的内容和信息量基本一致,其差别只在于表现形式的不同。
(3)根据维度:
二维地形图;三维地形图。
五、源定位分析
(一)极性翻转:
颅内与头皮电位的极性翻转,极性翻转的机制可用偶极子原理解释。
(二)偶极子定位:
是基于电场理论和数学原理,运用计算机处理系统从头皮表面记录的电位推算颅内发生源位置的一种定位方法。
(三)分布式源定位模型一电流密度模型:
电流密度模型属于一种分布式源定位方法,具有2个基本特征:
①先以一个三维网格或表面假定源的位置。
这样可以使空间矩阵L在整个拟合过程中保持不变。
②数据项D(j)加上模型项M(j)与调整参数λ的乘积得到残差Δ2。
六、主成分分析法(PCA)
(一)主成分分析模型:
Donchin等提出ERP的成分是一个“可控制的源和可观察到的变量”,并认为ERP可分解为多个成分的线形结合,其中的每一个都可以独立地受实验操作影响。
主成分分析模型是一种线性解析多重数字变量矩阵的方法。
当应用于一组ERP时,就会产生一组成分。
(二)为有效应用PCA,在被分析的一组ERP内必须有充分的系统变量。
(三)通常有两种不同类型的PCA,一种是时间PCA,以时间为刻度用波形表示成分;另一种是空间PCA,按头皮分布绘成图。
(四)PCA的首要步骤是依据数据计算相关的矩阵,通常这一步骤要求很严格,必须详细说明相关矩阵计算的方法和类型。
第二步是决定还剩余多少成分。
有意义成分数目的确定由放置信号与噪声之间频响位置的多种变量来决定。
对大脑高级心理活动如认知过程作出客观评价,我们很难将意识或思维单纯归于大脑某一部位组织、细胞或神经递质的改变,因为仅采用具体、微观的自然科学手段如神经分子生物学、神经生化学难以解决具体的心理活动。
二十世纪六十年代,Sutton提出了事件相关电位的概念,通过平均叠加技术从头颅表面记录大脑诱发电位来反映认知过程中大脑的神经电生理改变,因为事件相关电位与认知过程有密切关系,故被认为是“窥视”心理活动的“窗口”。
神经电生理技术的发展,为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。
经典的ERP主要成分包括P1、N1、P2、N2、P3,其中前三种称为外源性成分,而后两种称为内源性成分。
这几种成分的主要特点是:
首先不仅仅是大脑单纯生理活动的体现,而且反映了心理活动的某些方面;其次,它们的引出必须要有特殊的刺激安排,而且是两个以上的刺激或者是刺激的变化。
其中P3是ERP中最受关注和研究的一种内源性成分,也是用于测谎的最主要指标。
因此,在某种程度上,P3就成了ERP的代名词。
ERP与普通诱发电位不同的是:
(1)要求受试者一般是清醒的;
(2)所有的刺激不是单一的重复的闪光和短声刺激,而至少有两种或两种以上的刺激编成刺激序列(刺激信号不定,可以是视、听、数字、语言、图像);(3)构成除了易受刺激物理特性影响的外源性成分外,还有不受物理特性影响的内源性成分;(4)内源性成分和认知过程密切相关
事件相关电位(ERP)是一种特殊的脑诱发电位,诱发电位(EvokedPotentials,EPs),也称诱发反应(EvokedResponse),是指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激,或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工,在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。
诱发电位应具备如下特征:
1.必须在特定的部位才能检测出来;
2.都有其特定的波形和电位分布;
3.诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系,在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现。
分类方法有多种,依据刺激通道分为听觉诱发电位、视觉诱发电位、体感诱发电位等;根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚(长)潜伏期诱发电位和慢波。
临床上实用起见,将诱发电位分为两大类:
与感觉或运动功能有关的外源性刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件相关电位(Event-RelatedPotentialS,ERPs)。
[3]
内源性事件相关电位与外源性刺激相关电位有着明显的不同。
ERPs是在注意的基础上,与识别、比较、判断、记忆、决断等心理活动有关,反映了认知过程的不同方面,是了解大脑认知功能活动的“窗口”。
经典的ERPs成分包括P1、Nl、P2、N2、P3(P300),其中P1、N1、P2为ERPs的外源性(生理性)成分,受刺激物理特性影响;N2、P3为ERPs的内源性(心理性)成分,不受刺激物理特性的影响,与被试的精神状态和注意力有关。
现在ERPs的概念范围有扩大趋势,广义上讲,ERPs尚包括N4(N400)、失匹配阴性波(MismatchNegatiVity,MMN)、伴随负反应(ContigentNegatiVeVariaeion,CNV)等。
但长期以来有人通常以P3作为事件相关电位的代称,虽有失偏颇,但临床应用甚广。
ERP原理及提取技术活的人脑总会不断放电,称为脑电,但成分复杂而不规则。
正常的自发脑电一般处于几微伏到75微伏之间。
而由心理活动所引起的脑电比自发脑电更弱,一般只有2到10微伏,通常淹埋在自发电位中。
所以ERP需要从EEG中提取。
一、开放电场
脑电(EEG)是由于皮质大量神经组织的突触后电位同步总和而成,而单个神经元电活动非常微小,不能在头皮记录到,只有神经元群的同步放电才能记录到。
这种脑组织神经元排列方向一致的情况,构成所谓的开放电
场(openfield),反之则是方向不一致相互抵消的封闭电场(closedfield)。
因此,ERP只能反映某些脑部的激活情况,而有些脑部即使
处于激活状态,但由于其神经元没有能够形成开放电场,ERP上
也是反映不出来的。
二、ERP的两个重要特征
事件相关脑电有两个重要特性:
潜伏期恒定、波形恒定;与此相对,自发脑电则是随机变化的。
所以,可以将同一事件多次引起的多段脑电记录下来,但每一段脑电都是各种成分的综合,包括自发脑电(噪音)。
叠加技术
将由相同刺激引起的多段脑电进行多次叠加,由于自发脑电或噪音是随机变化,有高有低,相互叠加时就出现正负抵消的情况,而ERP信号则有两个恒定,所以不会被抵消,反而其波幅会不断增加,当叠加到一定次数时,ERP信号就显现出来了。
ERP是平均诱发电位叠加n次后的ERP波幅增大了n倍,因而需要再除以n,使ERP恢复原形,即还原为一次刺激的ERP数值。
所以ERP也称为平均诱发电位,平均指的是叠加后的平均。
这样就获得了所希望的事件相关电位波形图。
1.5ERP信号的优势与缺点ERP的优势在于①无创性和时间分辨率(ms)高;②便于与RT配合进行认知过程(认知可分为认知过程和认知状态,过程指的就是时间过程)研究;③设备相对简单,对环境的要求不高。
ERP的主要弱点在于低的空间分辨率,ERP在空间上只能达到厘米级,主要的影响因素是容积导体效应与封闭电场问题。
另外,ERP只能采用数学推导来实现脑电的源定位,这种方法的可靠性也是有限的。
头部定位系统
ERP采集装置是一个电极帽,上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极,这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制定的10-20系统(Jesper,1958)确定的。
10-20系统的原则是头皮电极点之间的相对距离以10%与20%来确定,并采用两条件标志线。
一条称为矢状线,是从鼻根到枕外隆凸的连线,从前向后标出5个点:
Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz,Fpz之前与Oz之后线段长度占全长10%,其余各点间距离均占全长的20%。
另一条称为冠状线,是两外耳道之间的连线,从左到右也标出5个点:
T3、C3、Cz、C4、T4。
T3和T4外侧各占10%,其余各点间距离均占全长20%。
三、主要ERP成分及经典研究
与心理学研究密切相关的ERP成分主要包括CNV、P300、MMN和N400等。
CNV。
CNV(ContingentNegativeVariation)关联负变。
实验中,告知被试,他将得到两个信号(声音或闪光等),他的任务是在第一个信号出现后开始准备反应,但并不反应,当出现第二个信号之后则要尽快做出反应;两个信号之间的时间并不固定。
结果发现,在两个信号之间,被试的脑电出现了负向偏转(或负向变化,负变),这个脑电负向变化形成的类似高原的波形就是CNV,在被试完成按键反应后CNV就消失了。
这个结果是1964年由Walter等发现的。
CNV被认为主要与心理因素有关。
比如期待、意动、朝向反应、觉醒、注意、动机等,可以认为它基本上是一个综合的心理准备状态的反映,处于紧张或应急状态的反映。
四、P300及Oddball范式
P300是Sutton于1965年发现,发表在当年的Science(150,1187-1188)上。
按照ERP的成分划分方法,根据潜伏期的差异,10ms内为早成分,10-50ms为中成分,50-500ms为晚成分,500ms以后则称为慢波。
P300显然属于晚成分。
Oddball范式在发现P300时使用了一个称为Oddball的经典ERP实验范
式。
Oddball实验范式的要点是,对同一感觉通道施加两种刺激,一种刺激出现概率很大,如85%,另一种刺激出现的概率很小,如15%。
CzPzFzFpzFp2Fp1Pg1Pg2F4F8F3F7C3C5T3A1C4C6T4A2OzP4
T6Cb2P3T5Cb1O1O2
叠加12次,Cz点。
A:
短声,B:
闪光,C:
短声+闪光。
前三种情况都不出现CNV。
第四种情况下,令被试在闪光出现时尽快按按键,按键即将闪光终止,只有这时才出现CNV两种刺激以随机顺序出现,这样,对于被试来说,小概率刺激的出现具有偶然性,因为它很少才出现一次,感觉有点怪(Odd)。
但实验任务却要求被试关注小概率刺激,只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。
可见这里的靶刺激是小概率刺激。
在这种条件下,实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波,称为P300,这个波在Pz点附近最高。
研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关,其潜伏期随任务难度增加而变长。
P300反映的认知过程,一种解释认为,P300代表知觉任务的结束,即对所期盼的靶刺激或目标刺激做出有意识加工时,相关顶叶或内侧颞叶部位受到激活,产生负电位,当加工结束时这些部位又受到抑制,于是出现了P300。
而Donchin(1981)认为,P300的潜伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间,而P300波幅反映的是工作记忆中表征。
后一种观点得到支持更多,这意味着P300也许可成为研究高级认知过程,比如工作记忆的脑机制,特别是过程机制问题。
另外,P300也普遍存在于哺乳动物中,如老鼠、猫、猴等,这说明P300可能代表着神经系统的某种基本活动。
近年来精确脑定位手段,如fMRI,发现P300的脑内源不只一个,因而P300不是一个单纯的成分,与多种认知加工有关。
现在,P300的概念发生了变化,许多潜伏期很不相同的波形也称为P300,这样就成了一个家族,称为晚正复合体(latepositivecomplex)。
在这种条件下,实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波,称为P300,这个波在Pz点附近最高。
研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关,其潜伏期随任务难度增加而变长。
五、MMN
MMN(也称N2b)与N2b容易混淆,都是负波。
MMN比N2b出现稍早。
N2b与朝向反应有关通常与P3a同时出现,称为N2-P3a复合体或N2b-P3a复合体
不应期人的感受器官对某些刺激信号做出抑制反应的时间。
痕迹匹配说、模板调整说。
MMN(mismatchnegativity)译为失匹配负波,它的也是采用Oddball范式得到的。
经典实验是这样的做的,在Oddball范式下,大概率刺激为1000Hz纯音,小概率刺激为800Hz纯音,分别在两只耳朵中出现,让被试进行双耳分听,只注意一只耳的声音,并对小概率刺激做出反应,不注意另一耳的声音。
结果发现,无论注意与否,在约250ms内,小概率刺激均比大概率刺激引起更高的负波。
以小概率刺激引起的ERP减去大概率刺激引起的ERP,会得到一个差异波,是一个存在100-250ms之间的明显的负波。
这一结果最早由Naatanen(1978)报告。
随后的一系列研究表明,MMN反映的是人脑对刺激差异的无意识加工,即使在两种刺激都不加以注意的情况下也出现了MMN,这说明人脑有对刺激间差异进行无意识加工的能力,或者说人脑能够对不同刺激自动地做出不同的反应。
六、N400
N400,是研究脑的语言加工原理的常用ERP成分,最早由Kutas于1980年报告,这一篇报告发表在当年的Science(207,203-205)上。
他们通过屏幕向被试呈现一些句子,句子的每个单词从前往后是逐个出现的,先出现的几个句子都是正常的符合语法和语境的。
在呈现句子时同步记录每个单词呈现后引起的脑电变化。
实验设计前几个句子都是正常的,最后一个句子的最后一个单词是明显畸义的。
实验观察到在这个畸义词出现之后400ms左右出现了一个新的负成分,这就是N400目前一般认为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。
但进一步研究发现,与P300相似,N400也有许多子成分,分别与
不同的认知过程相关,有彼此不同的脑内源。
而且也发现N400不仅与语言加工有关,面孔、图画等非语言刺激也能诱发N400。
1.脑内源的变化,即神经元组成的变化;2.总体活动强度的变化;3.总体电场方向的变化;4.组成成分的相对活动强度的变化;5.组成成员的相对电场方向的变化。
脑内加工(脑机制)表现出的ERP
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