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1、 ERP学习资料姜宇巍北京飞宇星电子科技有限公司1内容结构一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研究三、 ERP数据记录与处理四、波形的识别与测量2ERP原理及提取技术活的人脑总会不断放电，称为脑电（EEG），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。3ERP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，可以将同一事实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（
2、噪音）。4-200200400600800 ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期5ERP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，可以将同一事实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）。6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。7ERP分段叠加显示图8ERP是平均诱发电位叠加n次后的ERP波
3、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。因此，对于ERP研究来说，为了提取事件相关脑电位变化，传统上不得不进行多次重复刺激（次数记为n）。现在，可以通过计算机叠加技术轻松实现上述过程。9头部定位系统 ERP记录装置是一个电极帽，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1020系统（Jesper, 1958）确定的。每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况，掌握1020系统是进行ERP学术交
4、流的条件之一。10Pg1Pg2Fp1FpzFp2FzF3F7F4F8A1A2CzC3C5C4T4T3C6T5T6PzP3P4OzO1O2Cb1Cb2国际1020脑电记录系统（四）导联方法（四）导联方法矢状线矢状线冠状线冠状线11内容结构一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研究三、 ERP数据记录与处理四、波形的识别与测量12 潜伏期：早(200Ms)、中、晚(300ms)成份，慢波 命名：正P，负N，潜伏期 成份：外源性成份、内源性成份和纯心理波 外源性 内源性 P1、N1、P2 N2、P3复合波 MMN、CNV ERPsERPs成分成分受刺激的物理性质的影响受刺激的物理性质的影响
5、13刺激编排实验范式刺激编排实验范式OddballGo/Nogo跨通道研究模式跨通道研究模式运动知觉运动知觉记忆记忆语言语言特定认知实验模式特定认知实验模式非特定认知实验模式非特定认知实验模式心算心算连续心算连续心算选择心算选择心算简单心算简单心算 Detection of changes: Flicker paradigm14刺激材料的分类刺激材料的分类刺刺激激物物分分类类体体感感听听觉觉视视觉觉非图形非图形图形图形闪光闪光几何图形、文字、面孔、自然景观几何图形、文字、面孔、自然景观纯音、短声、白噪声、动物叫声纯音、短声、白噪声、动物叫声语音语音语音语音自然环境声自然环境声微弱脉冲电流、针灸
6、微弱脉冲电流、针灸15刺激参数体感听觉视觉对比度亮度视角Spatial frequency、朝向、频率声压级上升/下降时间0.10.5ms，15Hz，50uV刺激呈现时间刺激间隔SOA、ISI刺激参数刺激参数刺激呈现概率三大要素16主要ERP成分及经典范式ERP的先驱研究者经过四十多年的积累，发现了一些经典的ERP成分，在发现这些成分时所使用的一些研究方法对于后来者有启发。其中与心理学研究密切相关的成分主要包括P300 、 CNV、MMN、和N400等。17P300及Oddball范式P300是Sutton于1965年发现，发表在当年的Science（150，11871188）上。按照ERP的
7、成分划分方法，根据潜伏期的差异，P300显然属于晚成分。1819SuttonSutton等首先报告等首先报告P300 P300 （ ScienceScience , 1965 , 1965 ）19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。2021P300P300与任务难度与任务难度P300P300潜伏期随任潜伏期随任务难度的增加而务难度的增加而延长延长实线：具体人名实线：具体人名虚线：人名性别虚线：人名性别断线：出现的词中挑断线：出现的词中挑出出“ “刺刺” ”的反义词的反义词21P300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
8、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的更新。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。22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
9、。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（late positive complex）。23Oddball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%。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。24在这种
10、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。2526Oddball范式示意图26OddballOddball两种刺激物两种刺激物三种刺激物三种刺激物新异刺激物的插入新异刺激物的插入标准刺激标准刺激 (Standard)(Standard)偏差刺激偏差刺激 (Deviant)(Deviant)靶刺激靶刺激 (Target)(Target)非靶刺激非靶刺激 (non-Target)(non-Target)标准模式标准模式缺失刺激为靶缺失刺激为靶缺失刺激为靶缺失刺激为靶P3aP3aP3bP3b27CNVCNV（Contingent Nega
11、tive Variation）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。28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键，按键即将闪光终止，只有这时才出现CNV.29这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在N
12、ature（203，380384）上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，一般只有几个，所以无法解决CNV的源定位问题。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。30MMNMMN（mismatch negativity）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，随机呈现在一只耳朵中，一次只呈现一个刺激。让被试只注意一只耳
13、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100250ms之间的明显的负波。31MMN图示32MMNMMN与标准刺激与标准刺激/ /偏差刺激差异的关系：随偏差增偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强大而增大。声强MMNMMN，标准刺激为，标准刺激为80db80db，偏差刺激分别，偏差刺激分别为为57db, 70db, 77db57db, 70db, 77db。33这一结果最早由Naatanen（1978）报告。随后的一系
14、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。34N400N400，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（207，203205）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。35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
15、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。36语义畸异程度越大N400越大：THE PIZZA WAS TOO HOT TO 37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。38内容结构一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研究三、 ERP数据记录与处理四、波形的识别与测量39ERP数据记录与处理ERP基本实验流程包括实时（on-line）刺激呈现、脑电信号放大、模
16、数转换（数据采集）以及实验结束后离线式（off-line）数据分析。40l采样率 250、500、1000Hz；10000Hz20000Hzl频带宽度 低端频响高通（High-pass） 高端频响低通（Low-pass）EEG记录重要概念41被试的选择及注意事项被试的选择及注意事项正常被试的研究要注意被试的性别、社正常被试的研究要注意被试的性别、社会背景、受教育情况等。另外，还要注会背景、受教育情况等。另外，还要注意利手问题，尤其在需要被试进行按键意利手问题，尤其在需要被试进行按键或拨开关的作业任务中。或拨开关的作业任务中。正常人正常人临床病人临床病人儿童儿童特因条件特因条件对照组对照组42C
17、omputing the Visual Angle 4344ERPERP实验流程实验流程45参数设置参数设置 基本参数设置一般包括：采样率、导联数、ACDC模式的选择、低通和高通的设置、50周滤波等选择。46伪迹识别 伪迹伪迹（ArtifactsArtifacts） 肌电伪迹（肌电伪迹（MuscleMuscle）5050周波周波(50 Cycle)(50 Cycle)眼电眼电(Eye Movement)(Eye Movement)伪迹伪迹血管血管(Vascular)(Vascular)出汗出汗(Sweating)(Sweating)电极故障电极故障(Electrole pop)(Electro
18、le pop)电极移动电极移动(Electrole Movement)(Electrole Movement)其他：导线断裂、附近设备造成的突其他：导线断裂、附近设备造成的突然电压冲击、然电压冲击、 脑电仪器的故障、与脑电仪器的故障、与呼吸有关的运动、哭泣、吸吮、颤抖呼吸有关的运动、哭泣、吸吮、颤抖或吞咽等。或吞咽等。脑电描记中不起源于脑部的电活动干扰。脑电描记中不起源于脑部的电活动干扰。4748正常脑电 一段正常的ERP数据，应该是基线比较平稳，没有大的漂移或者慢漂，没有除眼电伪迹外的其它伪迹；与刺激软件同步时可看到Type类型标记等。48常见的非正常脑电数据4949肌电伪迹 这种类型的干扰
19、可表现 “尖头脉冲” ，通常因持续时间非常短暂而被识别。肌电伪迹常表现为连续性的各种频率的尖头脉冲。头皮下肌肉收缩形成的伪迹头皮下肌肉收缩形成的伪迹放大之后的肌电伪迹放大之后的肌电伪迹5050周干扰伪迹 电源或高电阻引起。高电阻是因为头皮上未被清除的油脂、脏污或死皮所引起。高电阻可以检出任何种类的伪迹，而不仅仅是50周一种。50周干扰周干扰放大后的放大后的50周干扰周干扰51眼电伪迹 眼睛好象一个充电的电池，其角膜表面一侧为阳性(十)，视网膜一侧为阴性()。这个电池有很大的电压，因此眼球运动时就会在脑电图上产生明显的偏转。垂直眼电水平眼电52电极故障电极移动一般都是阳性的尖头脉冲。任何电极在头
20、皮上移动，甚至是轻微的移动引起 。参考电极移动形成的伪迹参考电极移动形成的伪迹单个电极的移动单个电极的移动53心电伪迹 心电图可在身体的几乎任何部位检出，并可能扩展到头部，特别是在乳突电极。脉搏引起电极位于一个随心脏跳动而搏动的血管附近。54出汗伪迹引起非常缓慢的波动。55慢电压漂移 慢电压漂移通常是由于皮肤电阻或电极电阻的变化而引起的。56吞咽伪迹吞咽伪迹吞咽伪迹放大后的吞咽伪迹放大后的吞咽伪迹57 波 波主要分布于枕、顶区，在睁眼、感觉刺激、精神话动时有反应(衰减)。 58放大器饱和（阻塞） 缓慢电压漂移有时可能会引起放大器或ADC饱和，这导致EEG在一些时间段内变得平直。59本体噪声环境
21、干扰和本体噪声本体噪声 头皮EEG的电压波动非常微弱，在一般的实验室环境中，有很多电活动源的强度比EEG大得多，这些大电源会在被试、电极以及连接被试和放大器的电线上产生小的电压波动。这些感应电压随同EEG被一块放大之后是相当可观的。虽然有的感应电噪声可以通过滤波及其他后处理技术去除，但最好还是在源头上去除这些噪声。60离线数据分析步骤 数据的离线处理的程序： 1.去除眼电伪迹（Ocular artifact reduction） ； 2.脑电分段（Epoch） ； 3.滤波（filter） ； 4.基线校正（baseline correct） ； 5.去除伪迹（artifact rejecti
22、on） ； 6.平均（average） ； 7.保存（output file） ； 8.总平均（grand average） 。61内容结构一、ERP原理及提取技术二、主要ERP成分及经典研究三、 ERP数据记录与处理四、波形的识别与测量62波形的识别与测量得到一系列波形后，要从中识别不同成分以及成分所代表的心理意义是ERP研究的技术难点。一般通过峰潜伏期、波形及其头皮分布，参照总平均图与相关研究文献进行判断，而丰富的经验也很重要。波幅测量有基线波峰和波峰波峰两种，潜伏期常以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段代表。一般认为，波幅反映大脑的兴奋性高低，而潜伏期则是神经活动与加工过程的速度与评价的时
23、间。63-200200400600800 ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期基线基线峰峰峰峰峰峰64定性分析将不同事件（条件）引起的脑电波形加以比较，重点比较的内容包括：潜伏期和波幅等指标，两种条件造成的波形在头皮上的分布情况，以及定位分析。然后进行源定位分析，包括脑地形图、偶极子定位等。65 设置条件设置条件1 1与条与条件件2 2，分别产生，分别产生A A峰峰B B峰。峰。 测量并比较峰测量并比较峰A A与峰与峰B B的潜伏期、始潜的潜伏期、始潜时、波幅等指标。时、波幅等指标。 比较条件比较条件1 1与条与条件件2 2的波形在头皮的分的波形在头皮的分布。布。定性分析66相减
24、技术相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与心理机制相关的心理机制相关的ERPERP成分具有重要意义。成分具有重要意义。67脑电地形图是将脑电信号转换成一种既能定量也能定性的脑波图形，可以将大脑在某一时间点上的功能变化与形态定位有机地结合起来（将功能状态与激活状态结合起来）。地形图中相同颜色的区域代表激活程度相同（电压相等）。要绘出脑地形图至少需要12导记录电极，理论上越多越好。脑电地形图可以看作大脑各部位的激活在头皮上的表现。地形图可分为二维（平面）地形图、三维（立体）地形图和实际头形地形图。68根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：2D2D地形图、地形图、3D3D地形图、地形图、2D2D电位分布图。电位分布图。6970个人观点供参考，欢迎讨论
