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1、ERP的基本原理及其在认知神经科学中的应用 The Basic Principles and Application in Neurosciences of ERP魏景汉 Jing-han Wei W中国科学院心理研究所 Institute of Psychology, Academia Sinica,一、ERP的基本原理EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身，ERP是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观察不到，需提取。1、名词来源原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对“自发电位”而言。Evoked（Brain）Potentials = EP由于认知EP不仅外界刺激感觉所
2、致，尚来自主动的自上而下的心理因素，故改为“事件相关（脑）电位”（1969，Herb Vauhan）。Event-Related（Brain）Potentials = ERPs平均诱发电位。强调经过计算机平均。Average Evoked Potentials,（1）诱发电位（EP）的广义定义：凡是外加一种特定的刺激作用于机体，在给予刺激或撤消刺激时，在神经系统任何部位引起的电位变化。（2）诱发电位（EP）的狭义定义：凡是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区所引起的电位变化。（3）事件相关电位（ERP）的定义：当外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑
3、的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，或/和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。需要注意撤反应。,2、ERP的定义,3、特性： （1）淹没，约2微伏 10微伏。 （2）两个恒定：潜伏期、波形。 4、简史： 1935-1936 Pauline and Hallowell Davis首先在清醒人记录到感觉ERP。 1939 Davis等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，EEG平静时记录。 1947 Dawson 首次报道用照相叠加技术记录人体EP。 1951 Dawson 首次发明机械驱动-电子存储式EP叠加与平均方法（张明岛等，1995），开创了神经电生理学的新时代。 1962 Galam
4、bos and Sheatz首次发表计算机平均叠加ERP论文。 1964 Grey Walter等发表第一个认知ERP成分（CNV），标志着ERP研究新时代的开始。,5、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理,计算机不设置负值，只有正值，波的低谷也为正值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。信噪比的提高值与叠加次数: 。 例：原信号2微伏 / 噪音10微伏 = 0.2，叠加100次后（2微伏100）/（10微伏 ）= 200微伏 / 100微伏= 2,6、A/D转换速度（采样速度）ERP的时间分辨率ERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动的测量，而不是像PET、fMRI、光成像那样只是
5、对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已可达到微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40s。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率0.5ms。总采样频率=（频率/导）* 导数。减少导数则时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点数应等于或大于128点。,7、ERP的研究分类 （1）按感觉通路：AEP、VEP、SEP （2）按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。,a,（3）命名法：正
6、P负N潜伏期。如P300, N400, N170。 （4）向上为负。 （5）成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。,8、ERP的优势: （1）无创性、时间分辨率高 便于与RT 配合进行认知过程研究、空间分辨率128导约为3mm，达到了现代水平。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。 （2）认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。（3）设备相对简单，对环境的要求不高。,9、 妨碍ERP提高空间分辨率的原因： （1）颅骨不匀且有个体差异 （2）容积导体效应 （3）电场封闭（主要来自锥体细胞层，失真：该层ERP大，其他层小）
7、,1966: 177 1967-68: 1501 1969-70: 1971 1971-72: 2063 1973-74: 2216 1975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 3445 1981-82: 4208 1983-84: 4416 1985-86: 4538 1987-88: 4610 1989-90: 4804 1991-92: 5479 1993-94: 5386 1995-96: 5461 1997-98: 5888 1999-00: 6205 2001-02: 6299 2003-04: 6996,10、ERP的发展趋势,二、ERP在认知神经科
8、学中的应用1、ERP的学术位置属于心理生理学（psychophysiology）范畴。心理生理学以心理因素为自变量，以生理指标为应变量，一般以人为被试。生理心理学（physiological psychology）以生理变化为自变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试。心理生理学是从生理心理学中分离出来的。同属认知神经科学。认知神经科学是在近十余年才兴起的一门交叉学科，是脑科学界颇受关注的领域，是心理学的新时代， ERP是其中的重要组成部分。,个性心理特征心理学 情绪意志 心理过程认知心理学心理语言学认知科学 人工智能人工神经网络神经脑科学生理学 .,认知神经科学的学科位置,二、认知神经科学
9、方法之比较,三、作用举例,（一）关于注意选择性发生时程的ERP证据 1、两耳纯音各一不同。快速（约6次/秒）随机呈现。 2、两项实验，每项只记一只耳的纯音数。 3、图1、2 的早成分不受注意影响。 4、图3、4 的中成分（涂黑）受注意影响。 5、图5为差异波P20-50 （涂黑），相当早。 6、 ERP与MEG（脑磁图）联合记录结果发现P25-50发生在听皮质，很可能在初级听皮质。 7、结论：注意选择性发生在听觉加工的早期阶段。,1、实验方法实验采用的刺激呈现模式可图示如下, 其中数字单位为ms: 纯音 - 提示字 - 目标字 - 被试述词 - 下次纯音 . 220 1210 200 1300
10、 200 4400头皮记录 Fz、Cz、Pz、左脑P3-T5 及右脑P4-T6 共五点之ERP.每名被试皆接受二项实验. （1）具体字联想实验。主要目的：突出目标字义的加工，减弱形音加工。 纯音预告汉字即将出现, 引起注意. 提示字皆认识字, 要识记其发音与字形. 目标字与提示字音同形似,如,提示字“丁”,目标字“钉”;“防” “房“. 目标字分为认识与不认识. 对认识的目标字要根据其义联想出另一个字, 组成双字词并口头报告. 对不认识的字根据提示字音、形尽量猜测其义,仍不认识, 述“不认识“.,（二）语言加工的脑机制半视野汉字研究（Wei, et al., NeuroReport, 2001
11、）,（2）非提示对照实验: “提示”字为无关字, 即与目标字形音义皆异,目标字联想前缺少音与形的予加工, 余同具体字联想实验.,2、主要实验结果与讨论: （1）汉字认知的起始时程 具体字联想实验 图为左视野ERP 横排5个记录点 左半球P3-T5，左视野为同侧，右半球P4-T6，左视野为对侧 红线为目标字认识时的ERP, 绿线为目标字不认识时的ERP 在每帧图中, 纯音、提示字和目标字各引起一组ERP。,左视野,左半球（同侧）,右半球（对侧）,在生理上, 半视野刺激应首先投射于对侧脑, 然后传导到同侧脑. P1潜伏期(约100ms) 附合这一规律: 对侧投射比同侧传导出现得早. N1潜伏期(约
12、160ms)已不附合这一规律: 对侧投射与同侧传导基本同时出现. 提示字引起的N1仍为对侧投射早于同侧传导. 目标字与提示字的区别主要在于突出了词义加工. 所以N1受到了目标字词义加工的调节. 它始于 100ms 至 160ms之间，亦即汉字认知的起始时程约为100ms 至 160ms.,左右视野目标字在左右半球（对侧、同侧）引起的P1与N1,（2）左右脑在汉字加工中的关系： 左脑N1迟于右脑出现， 左脑N1波幅大于右脑。 所以有理由假设，左脑可能需等待右脑传来必要的信息后才开始加工，但其加工一旦开始就在一定时期内占优势。这就是说，在起始时间与加工强度两个维度上两个半球各占优势。 汉字加工中的
13、“优势半球”概念已难以概括上述二维差异，需要修正。,左视野，不认识 认识,（3）汉字认识否引起的ERP差异： 不认识的目标字的PSW波幅大于认识的目标字PSW, 前者的潜伏期也显著长于后者. 不认识的目标字ERP 认识的目标字ERP = P800. 该差值只与汉字认识与否及联想/猜想相关, 物理因素皆被减掉; 为纯心理性成分. 二项实验全部记录点均于目标字后约800ms出现了一个相似的正成分, 说明是一种规律. 在此实验条件下可作为判断被试是否认识所用汉字的客观标志. 在此将该差异成分标记为P800.,意识的脑机制,24,（4）形音加工ERP成分的获得， 形音加工的反复性 对照组认识的目标字需
14、形音义全面加工. 具体组认识的目标字主要进行义的加工. 对照组- 具体组 = 形音加工成分. 结果：160ms正成分, 450ms负成分, 800ms另一个正成分. 所以形音加工不是一次完成的，而是存在着反复.,意识的脑机制,25,（5）形音义的加工顺序，形音义加工的反复、交错与重叠： 由（1）已知，在100ms至160ms左右已开始了词义加工. 由（3）已知，800ms后仍在进行词义加工. 由（4）已知，形音加工在160ms、450ms和800ms附近也均有表现.由（1）、（3） 可知，义在100160ms后又在800ms出现加工，可见义存在加工与再加工的反复过程 由（1）、（4）可知，在1
15、60ms形音义三者加工近似重叠 由（3）、（4）可知，在800ms形音义三者加工近似重叠所以，形音义在认知中均存在加工与再加工的反复过程, 形音义三者的加工是交错进 行的，并发生重叠。,意识的脑机制,26,3、主要结论： （1）在本实验条件下，汉字认知始于约100 ms至160 ms之间。 （2）有理由假设，左脑可能需等待右脑传来必要的信息后才开始加工，但其加工一旦开始就在一定时期内占优势。这就是说，在起始时间与加工强度两个维度上两个半球各占优势。 汉字加工中的“优势半球”概念已难以概括上述二维差异，需要修正。 （3）汉字形音义的加工关系错综复杂，存在着反复、交错与重叠，难以用语义通达是否通过语音来概括。 （4）在本实验条件下，P800有可能成为鉴别被试是否认识汉字的指标。,
