ERP基本原理及其在認知神經(jīng)科學中的應用

1、一、一、ERP的基本原理的基本原理EEG含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，ERP是信息引起的是信息引起的波形本身波形本身，但淹沒在但淹沒在EEG中，通常觀察不到，需提取。中，通常觀察不到，需提取。1、名詞來源、名詞來源原稱：誘發(fā)（腦）電位，強調(diào)刺激引起，針對原稱：誘發(fā)（腦）電位，強調(diào)刺激引起，針對“自發(fā)電位自發(fā)電位”而而言。言。Evoked（Brain）Potentials = EP由于認知由于認知EP不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動的自上而下的不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動的自上而下的心理因素，故改為心理因素，故改為“事件相關(guān)（腦）

2、電位事件相關(guān)（腦）電位”（1969，Herb Vauhan）。）。Event-Related（Brain）Potentials = ERPs平均誘發(fā)電位。強調(diào)經(jīng)過計算機平均。平均誘發(fā)電位。強調(diào)經(jīng)過計算機平均。Average Evoked Potentials（1）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（EP）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作用于機體，在給予刺激或撤消刺激時，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起用于機體，在給予刺激或撤消刺激時，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起的電位變化。的電位變化。（2）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（EP）的狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，）的狹義定義：凡是外加一種特

3、定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)所引起的電位變化。腦區(qū)所引起的電位變化。（3）事件相關(guān)電位（）事件相關(guān)電位（ERP）的定義：當外加一種特定的刺激，）的定義：當外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，或作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，或/和當某種心理因素出現(xiàn)時在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。和當某種心理因素出現(xiàn)時在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。 需要注意撤反應。需要注意撤反應。2、ERP的定義的定義3、特性：、特性：（1）淹沒，約）淹沒，約2微伏微伏 10微伏。微

4、伏。（2）兩個恒定：潛伏期、波形。）兩個恒定：潛伏期、波形。4、簡史：、簡史：1935-1936 Pauline and Hallowell Davis首先在清醒人記錄到感覺首先在清醒人記錄到感覺ERP。1939 Davis等首次發(fā)表等首次發(fā)表ERP論文，單次刺激誘發(fā)，論文，單次刺激誘發(fā)，EEG平靜時記平靜時記錄。錄。1947 Dawson 首次報道用照相疊加技術(shù)記錄人體首次報道用照相疊加技術(shù)記錄人體EP。1951 Dawson 首次發(fā)明機械驅(qū)動首次發(fā)明機械驅(qū)動-電子存儲式電子存儲式EP疊加與平均方法疊加與平均方法（張明島等，（張明島等，1995），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學的新時代。），開創(chuàng)了神經(jīng)電

5、生理學的新時代。1962 Galambos and Sheatz首次發(fā)表計算機平均疊加首次發(fā)表計算機平均疊加ERP論文。論文。1964 Grey Walter等發(fā)表第一個認知等發(fā)表第一個認知ERP成分（成分（CNV），標志著），標志著ERP研究新時代的開始。研究新時代的開始。5、EEG對對ERP的淹沒與的淹沒與疊加基本原理疊加基本原理l 計算機不設(shè)置負值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪計算機不設(shè)置負值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪聲疊加也增大，而不是互相抵消。聲疊加也增大，而不是互相抵消。l 信噪比的提高值與疊加次數(shù)信噪比的提高值與疊加次數(shù): 。 例：例：原原信號信號2微伏微伏 / 噪音

6、噪音10微伏微伏 = 0.2，疊加，疊加100次后次后 （2微伏微伏100）/（10微伏微伏 ）= 200微伏微伏 / 100微伏微伏 = 2 /S Nnnn1006 6、A/DA/D轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）ERPERP的時間分辨率的時間分辨率 ERPERP時間分辨率高的根本原因是由于它是對神經(jīng)元自身活動時間分辨率高的根本原因是由于它是對神經(jīng)元自身活動的測量，而不是像的測量，而不是像PETPET、fMRIfMRI、光成像那樣只是對神經(jīng)元代謝產(chǎn)、光成像那樣只是對神經(jīng)元代謝產(chǎn)物的測量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為物的測量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為ER

7、PERP的高時間分辨率提供了保障。目前的高時間分辨率提供了保障。目前ERPERP的時間分辨率在理論上已的時間分辨率在理論上已可達到微秒級?？蛇_到微秒級。 實際上，在記錄早成分時，由于它在實際上，在記錄早成分時，由于它在10ms10ms內(nèi)有七、八個波內(nèi)有七、八個波，記錄由，記錄由256256點以上組成，因此點間距即時間分辨率小于點以上組成，因此點間距即時間分辨率小于40s40s。一般的。一般的ERPERP儀器采樣頻率也大于儀器采樣頻率也大于2000Hz/2000Hz/導，即時間分辨率導，即時間分辨率0.5ms0.5ms?？偛蓸宇l率?？偛蓸宇l率= =（頻率（頻率/ /導）導）* * 導數(shù)。減少導數(shù)

8、則時間分導數(shù)。減少導數(shù)則時間分辨率相應提高。設(shè)置時間分辨率的一般原則是，組成辨率相應提高。設(shè)置時間分辨率的一般原則是，組成EpochEpoch的點的點數(shù)應等于或大于數(shù)應等于或大于128128點。點。7、ERP的研究分類的研究分類（1）按感覺通路：AEP、VEP、SEP（2）按潛伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。a（3）命名法：）命名法：正P負N潛伏期。如P300, N400, N170。（4）向上為負。）向上為負。（5）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。 純心理波：純心理波：運動前電位、刺激遺漏成分、解脫波。8、ERP的優(yōu)勢的優(yōu)勢

9、: （1）無創(chuàng)性、時間分辨率高）無創(chuàng)性、時間分辨率高 便于與便于與RT 配合進行認知過程配合進行認知過程研究、空間分辨率研究、空間分辨率128導約為導約為3mm，達到了現(xiàn)代水平。是，達到了現(xiàn)代水平。是心理學工作者進行認知神經(jīng)科學研究的最得力的方法。心理學工作者進行認知神經(jīng)科學研究的最得力的方法。（2）認知可分為認知過程和認知狀態(tài)，）認知可分為認知過程和認知狀態(tài)，過程指的就是時間過過程指的就是時間過程。程。 （3）設(shè)備相對簡單，對環(huán)境的要求不高。）設(shè)備相對簡單，對環(huán)境的要求不高。9、 妨礙妨礙ERP提高空間分辨率的原因：提高空間分辨率的原因：（1）顱骨不勻且有個體差異）顱骨不勻且有個體差異（2）

10、容積導體效應）容積導體效應（3）電場封閉（主要來自錐體細胞層，失真：該）電場封閉（主要來自錐體細胞層，失真：該層層ERP大，其他層?。┐?，其他層?。?966: 1771967-68: 15011969-70: 19711971-72: 20631973-74: 22161975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 34451981-82: 42081983-84: 44161985-86: 45381987-88: 46101989-90: 48041991-92: 54791993-94: 53861995-96: 54611997-98: 58881999-00

11、: 62052001-02: 62992003-04: 699610、ERP的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢二、二、ERP在認知神經(jīng)科學中的應用在認知神經(jīng)科學中的應用1、ERP的學術(shù)位置的學術(shù)位置屬于心理生理學（屬于心理生理學（psychophysiology）范疇。）范疇。心理生理學以心理因素為自變量，以生理指標為應變量，一般心理生理學以心理因素為自變量，以生理指標為應變量，一般以人為被試。以人為被試。生理心理學（生理心理學（physiological psychology）以生理變化為自變量，）以生理變化為自變量，以心理因素為應變量，一般以動物為被試。以心理因素為應變量，一般以動物為被試。心理生理學是

12、從生理心理學中分離出來的。同屬認知神經(jīng)科學。心理生理學是從生理心理學中分離出來的。同屬認知神經(jīng)科學。認知神經(jīng)科學是在近十余年才興起的一門交叉學科，是腦科學認知神經(jīng)科學是在近十余年才興起的一門交叉學科，是腦科學界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學的新時代，界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學的新時代， ERP是其中的重要組是其中的重要組成部分。成部分。 個性心理特征 心理學 情緒 意志 心理過程 認知心理學 心理語言學 認知科學 人工智能 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)腦科學 生理學 . .認知神經(jīng)科學的學科位置二、認知神經(jīng)科學方法之比較二、認知神經(jīng)科學方法之比較三、作用舉例三、作用舉例（一）關(guān)于注意選擇性發(fā)生時程的（一）關(guān)于

13、注意選擇性發(fā)生時程的ERP證據(jù)證據(jù)1、兩耳純音各一不同?？焖伲s、兩耳純音各一不同。快速（約6次次/秒）隨秒）隨機呈現(xiàn)。機呈現(xiàn)。2、兩項實驗，每項只記一只耳的純音數(shù)。、兩項實驗，每項只記一只耳的純音數(shù)。3、圖、圖1、2 的早成分不受注意影響。的早成分不受注意影響。4、圖、圖3、4 的中成分（涂黑）受注意影響。的中成分（涂黑）受注意影響。5、圖、圖5為差異波為差異波P20-50 （涂黑），相當早。（涂黑），相當早。6、 ERP與與MEG（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)P25-50發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級聽皮發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級聽皮質(zhì)。質(zhì)。7、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺

14、加工的早期、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺加工的早期階段。階段。1 1、實驗方法、實驗方法 實驗采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下實驗采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下, , 其中數(shù)字單位為其中數(shù)字單位為ms: ms: 純音純音 - - 提示字提示字 - - 目標字目標字 - - 被試述詞被試述詞 - - 下次純音下次純音 . . 220 1210 200 1300 200 4400220 1210 200 1300 200 4400 頭皮記錄頭皮記錄 FzFz、CzCz、PzPz、左腦、左腦P3-T5 P3-T5 及右腦及右腦P4-T6 P4-T6 共五點之共五點之ERP.ERP. 每名被試皆接受二項實驗每

15、名被試皆接受二項實驗. .（1）具體字聯(lián)想實驗。主要目的：突出目標字義的加工，減弱形音加工。）具體字聯(lián)想實驗。主要目的：突出目標字義的加工，減弱形音加工。純音預告漢字即將出現(xiàn), 引起注意.提示字皆認識字, 要識記其發(fā)音與字形.目標字與提示字音同形似,如,提示字“丁”,目標字“釘”;“防” 房.目標字分為認識與不認識.對認識的目標字要根據(jù)其義聯(lián)想出另一個字, 組成雙字詞并口頭報告.對不認識的字根據(jù)提示字音、形盡量猜測其義,仍不認識, 述不認識.（二）語言加工的腦機制（二）語言加工的腦機制 半視野漢字研究（半視野漢字研究（Wei, et al., NeuroReport, 2001）（2）非提示對

16、照實驗）非提示對照實驗:“提示提示”字為無關(guān)字字為無關(guān)字, 即與目標字形音義皆異即與目標字形音義皆異,目標字聯(lián)想前缺少音與目標字聯(lián)想前缺少音與形的予加工形的予加工, 余同具體字聯(lián)想實驗余同具體字聯(lián)想實驗. 2、主要實驗結(jié)果與討論、主要實驗結(jié)果與討論: （1）漢字認知的起始時程）漢字認知的起始時程具體字聯(lián)想實驗具體字聯(lián)想實驗圖為左視野圖為左視野ERP 橫排橫排5個記錄點個記錄點 左半球左半球P3-T5，左視野為同側(cè)，右半，左視野為同側(cè)，右半球球P4-T6，左視野為對側(cè)，左視野為對側(cè) 紅線為目標字認識時的紅線為目標字認識時的ERP, 綠線為目綠線為目標字不認識時的標字不認識時的ERP 在每幀圖中在

17、每幀圖中, 純音、提示字和目標字純音、提示字和目標字各引起一組各引起一組ERP。左視野左視野左半球左半球（同側(cè)）（同側(cè)）右半球右半球（對側(cè)）（對側(cè)）在生理上在生理上, 半視野刺激應首先投射于對側(cè)半視野刺激應首先投射于對側(cè)腦腦, 然后傳導到同側(cè)腦然后傳導到同側(cè)腦. P1潛伏期潛伏期(約約100ms) 附合這一規(guī)律附合這一規(guī)律: 對側(cè)對側(cè)投射比同側(cè)傳導出現(xiàn)得早投射比同側(cè)傳導出現(xiàn)得早.N1潛伏期潛伏期(約約160ms)已不附合這一規(guī)律已不附合這一規(guī)律: 對側(cè)投射與同側(cè)傳導基本同時出現(xiàn)對側(cè)投射與同側(cè)傳導基本同時出現(xiàn).提示字引起的提示字引起的N1仍為對側(cè)投射早于同側(cè)仍為對側(cè)投射早于同側(cè)傳導傳導.目標字與

18、提示字的區(qū)別主要在于突出了目標字與提示字的區(qū)別主要在于突出了詞義加工詞義加工.所以所以N1受到了目標字詞義加工的調(diào)節(jié)受到了目標字詞義加工的調(diào)節(jié). 它它始于始于 100ms 至至 160ms之間，亦即漢字認之間，亦即漢字認知的起始時程約為知的起始時程約為100ms 至至 160ms.左右視野目標字在左右半球（對側(cè)、同側(cè)）引起的P1與N1（2）左右腦在漢字加工中的關(guān)系：）左右腦在漢字加工中的關(guān)系： 左腦左腦N1遲于右腦出現(xiàn)，遲于右腦出現(xiàn)， 左腦左腦N1波幅波幅大于右腦。大于右腦。 所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右腦傳來必要的信息后才開始加工，腦傳來必要的信息后才開始

19、加工，但但其加工一旦開始就在一定時期內(nèi)占優(yōu)其加工一旦開始就在一定時期內(nèi)占優(yōu)勢。這就是說，在起始時間與加工強勢。這就是說，在起始時間與加工強度兩個維度上兩個半球各占優(yōu)勢。度兩個維度上兩個半球各占優(yōu)勢。 漢漢字加工中的字加工中的“優(yōu)勢半球優(yōu)勢半球”概念已難以概概念已難以概括上述二維差異，需要修正。括上述二維差異，需要修正。左視野，不認識左視野，不認識 認識認識（3）漢字認識否引起的）漢字認識否引起的ERP差異：差異：不認識的目標字的不認識的目標字的PSW波幅大于認識的目波幅大于認識的目標字標字PSW, 前者的潛伏期也顯著長于后者前者的潛伏期也顯著長于后者.不認識的目標字不認識的目標字ERP 認識的

20、目標字認識的目標字ERP = P800.該差值只與漢字認識與否及聯(lián)想該差值只與漢字認識與否及聯(lián)想/猜想相關(guān)猜想相關(guān), 物理因素皆被減掉物理因素皆被減掉; 為純心理性成分為純心理性成分.二項實驗全部記錄點均于目標字后約二項實驗全部記錄點均于目標字后約800ms出現(xiàn)了一個相似的正成分出現(xiàn)了一個相似的正成分, 說明是一種規(guī)律說明是一種規(guī)律.在此實驗條件下可作為判斷被試是否認識在此實驗條件下可作為判斷被試是否認識所用漢字的客觀標志所用漢字的客觀標志. 在此將該差異成分標在此將該差異成分標記為記為P800. 意識的腦機制23（4）形音加工）形音加工ERP成分的獲得，成分的獲得， 形音加工的反復性形音加工

21、的反復性對照組認識的目標字需形音義全面加工.具體組認識的目標字主要進行義的加工.對照組對照組- 具體組具體組 = 形音加工成分形音加工成分.結(jié)果：結(jié)果：160ms正成分, 450ms負成分, 800ms另一個正成分.所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復.意識的腦機制24（5）形音義的加工順序，形音義加工的反復、交錯與重疊：）形音義的加工順序，形音義加工的反復、交錯與重疊：由（由（1）已知，在）已知，在100ms至至160ms左右已開始了詞義加工左右已開始了詞義加工. 由（由（3）已知，）已知，800ms后仍在進行詞義加工后仍在進行詞義加工. 由（由（4）已知，形音加工在）已知，形音加工在160ms、450ms和和800ms附近也均有表現(xiàn)附近也均有表現(xiàn).由（由（1）、（）、（3） 可知，