认知神经生理学

1、赵 仑 it is an exciting time for studying human cognition. - picton, alain, & mcintosh the theatre of the mind: physiological studies of the human frontal lobes. in: principles of frontal lobe function, stuss & knight, 2nd, 2002l大脑皮层的基本构造大脑皮层的基本构造leegeeg基本知识基本知识lerpserps的概念和特点的概念和特点lerpserps的形

2、成机制的形成机制l100160亿神经细胞、100万亿个突触以及比其更多10倍的胶质细胞1、分子层：内为水平细胞2、外颗粒层：小锥体细胞3、锥体细胞层：中、大型 锥体细胞4、内颗粒层：小星形细胞5、节细胞层：大锥体细胞6、多形细胞层：梭状细胞 角状细胞eeg基本知识l产生基本原理产生基本原理 构成脑电自动节律的主要是锥体细胞，尤其是深层的大锥体细胞。大锥体细胞具有形成有效电场的特定条件： 细胞排列井然有序，其顶树突更是平行并列；顶树突长，其实体表面积比细胞体大约10倍以上，接触面积大为增加；顶树突较粗，具有较低的阻抗。 在广阔表面积上的众多突触点的电活动，若是方向一致而且阻抗又较低的话，就容易被

3、总和成为一个有效电场，这时，即可记录到一个综合性的突触后电位，连续不断的综合性突触后电位即是脑电波的主体电活动。leegeeg基本特征基本特征用快的送纸速度记录下来的脑电图一般呈正弦波样外观，周期、振幅、位相称为脑电图的基本特征，也是规定放电团节律性的波形的重要因索。基基线线振幅振幅周期周期脑电位相图脑电位相图180度度（位相倒转）（位相倒转）90度度leegeeg分类分类波波波中间快波波波schwab频率分类0.5 3hz4 7hz8 13hz14 17hz18 30hz31hz以上慢波慢波快波快波-脑电图：顶、枕 大多数-脑电图： 6% 全部导联 额、中央区平坦脑电图：10%不规则脑电图r

4、. jung 图形分类l影响脑电图的各种因素影响脑电图的各种因素 生命过程中，在整个机体特别是神经系统发生的全部变化都能反映在脑电图上。 年龄 个体差异和年龄差异 精神活动 外界刺激 意识变化 体内生化学改变 脑部疾病与发育情况和体制特点有关与发育情况和体制特点有关一过性、可逆性的生理变化一过性、可逆性的生理变化病理变化（棘波、慢波等）病理变化（棘波、慢波等）l成人正常脑电图的主要特征成人正常脑电图的主要特征1由波和快波组成，慢波只有少数、散在性波(占10 15以下) 。 2波和快波显示正常分布，即波主要分布于枕、顶区 ，快波于额、额前区。 3左右对称部的波幅差一般不超过20。 4左右对称部的

5、频率差异不超过10。 5波在睁眼、感觉刺激、精神话动时有反应(衰减)。 国际国际10/20安装系统安装系统矢状线矢状线部位部位名称名称代号代号部位部位名称名称代号代号前额前额frontal polefp1fp2侧额侧额inferior frontalf7f8额额frontalf3fzf4颞颞temporalt3t4中央中央centralc3czc4后颞后颞posterior temporalt5t6顶顶parietalp3pzp4耳耳auriculara1a2枕枕occipitalo1o2国际国际10/10安装系统安装系统记录电极参考电极（零位点的选择零位点的选择）接地电极电位差基本电极eeg

6、单极导联一个参考电极，多个记录电极参考电极的选择：耳垂、乳突、鼻尖单极导联的优点：大致记录脑电变化的绝对值单极导联的缺点：参考电极不是绝对的零电位点双极导联eog的记录与剔除电极导联脑电记录伪迹肌电伪迹（肌电伪迹（musclemuscle）5050周波周波(50 cycle)(50 cycle)眼动眼动(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)(electrole pop)电极移动电极移动(electrole movement)(e

7、lectrole movement)其他：导线断裂、附近设备造成的突然电压冲击其他：导线断裂、附近设备造成的突然电压冲击 脑电仪器的故障、与呼吸有关的运动、脑电仪器的故障、与呼吸有关的运动、 哭泣、吸吮、颤抖或吞咽等。哭泣、吸吮、颤抖或吞咽等。伪迹伪迹（artifactsartifacts）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。l这种类型的干扰可表现 “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，还可表现为以极高额率密集爆发的尖头脉冲，这时无法分辨出各自分开的尖头脉冲信号。头皮下肌肉收缩形成的伪迹眼睛好象一个充电的

8、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。高电阻引起。高电阻是因为头皮上未被清除的油脂、脏污或 死亡皮肤所引起。高电阻可以检出任何种类的伪迹，而不仅仅是50周一种。一般都是阳性的尖头脉冲。任何电极在头皮上移动，甚至是轻微的移动引起 。心电伪迹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，特别是在电极al (le)和a2(re) 。脉搏引起脉搏引起电极位于一个随心脏跳动而搏动的血管附近。引起非常缓慢的波动。event-related potentials event-related brain pot

9、entials 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，在脑区引起的电位变化。 * * 刺激缺失刺激缺失leegeeg对对erpserps的淹没的淹没l叠加平均基本原理叠加平均基本原理 erps波形恒定 潜伏期恒定 叠加n次：信噪比提高n 倍 例如： erps=0.5eeg n=100 100erp 10eeg erps=5eeg 潜伏期：早、中、晚成份，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 受刺激的物理性质的影响？erpserps成分成分 1、erps是

10、一种特殊的诱发电位，属于近场电位近场电位（near- field potentials - 记录电极位置距活动的神经结构较 近）； 2、一般要求被试实验时在一定程度上参与实验； 3、刺激的性质、内容和编排多样，目的是启动被试认 知过程的参与； 4、erps成分除受物理刺激特性影响的“外源性成分外源性成分”， 还包括“内源性成分内源性成分”，erps不像普通诱发电位记录 神经系统对刺激本身产生的反应，而是大脑对刺激 带来的信息引起的反应，反映的是认知过程中大脑 的神经电生理改变。听觉听觉baepmlrerp视觉eperpp1c1note：ep与erp密切相关，早期erp成分与认知的关系要求我们对

11、ep的基本特征要非常熟悉。举例： 听觉erp p20-50注意效应 & 听觉mlr 视觉erp 早期注意效应（p1） oddballgo/nogo跨通道研究模式跨通道研究模式运动知觉（演示）运动知觉（演示）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match-mismatch，prime-probe(roberto caldara, et al, 2004) 刺激消失产生的诱发电位。刺激消失产生的诱发电位。 实验设计时，为不影响实验设计时，为不影响erperp晚成分的记录，刺激的持续时间最

12、好晚成分的记录，刺激的持续时间最好短一些，在拟观察的成分出现以前使刺激消失，或者延长刺激持续短一些，在拟观察的成分出现以前使刺激消失，或者延长刺激持续时间，在拟观察的晚成分出现后，再使刺激消失。时间，在拟观察的晚成分出现后，再使刺激消失。 erperp记录参考电极问题记录参考电极问题 单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位，各导的电位单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位，各导的电位都是与它相减的结果。理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位都是与它相减的结果。理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位，但是人体是一个容积导体，生物电无处不在，无时不变，这样的

13、部位是不，但是人体是一个容积导体，生物电无处不在，无时不变，这样的部位是不存在的。在过去生物电研究的存在的。在过去生物电研究的100100年间，关于参考电极年间，关于参考电极位置位置的争论从来没有的争论从来没有停止过，是目前仍无结论的问题。参考电极的设置显然对数据有明显影响，停止过，是目前仍无结论的问题。参考电极的设置显然对数据有明显影响，因此这是一个重要的问题。这里仅简单讨论几种目前常用的脑电参考电极设因此这是一个重要的问题。这里仅简单讨论几种目前常用的脑电参考电极设置。置。（一）（一）：将双耳乳突或耳垂连接作参考电极。由于乳突或耳垂的将双耳乳突或耳垂连接作参考电极。由于乳突或耳垂的脑电一般

14、较小，将其连接所得的平均电位作参考不会造成脑的两半球电位关脑电一般较小，将其连接所得的平均电位作参考不会造成脑的两半球电位关系的失真，故已成为经典的方法。缺点是不能测量乳突附近的脑电变化，如系的失真，故已成为经典的方法。缺点是不能测量乳突附近的脑电变化，如mmnmmn。 方法革新演示单侧参考后参考电极的转换（二）（二）：将参考电极放在鼻尖。由于：将参考电极放在鼻尖。由于双耳参考法不能观察乳突双耳参考法不能观察乳突附近脑源的活动，而有的脑电如听觉附近脑源的活动，而有的脑电如听觉mmn的一个源恰在乳突附近，所以在的一个源恰在乳突附近，所以在研究源位于乳突附近的脑电活动时，常常将参考电极放置在鼻尖。

15、研究源位于乳突附近的脑电活动时，常常将参考电极放置在鼻尖。（三）（三）：在用普通参考电极记录：在用普通参考电极记录eeg后，求出全部记录点的平后，求出全部记录点的平均值，以各记录值减去该平均值后的差值作为实际的脑电数据。其目的在均值，以各记录值减去该平均值后的差值作为实际的脑电数据。其目的在于实现参考电极的电位恒定或为零。于实现参考电极的电位恒定或为零。 依据是，假设人脑和颅骨是均匀的圆球体，球体表面均匀放置足够的依据是，假设人脑和颅骨是均匀的圆球体，球体表面均匀放置足够的记录电极，偶极子位于球心。记录电极，偶极子位于球心。 该法的优点是可以进行某些脑电求源的逆运算。其缺点在于它是基于该法的优

16、点是可以进行某些脑电求源的逆运算。其缺点在于它是基于理想的头颅条件和假设的偶极子计算出来的，与真实情况相差很大，因此理想的头颅条件和假设的偶极子计算出来的，与真实情况相差很大，因此它所带来的误差是不容忽视的。它所带来的误差是不容忽视的。l采样率采样率 250、500、1000hz；10000hz20000hzl频带宽度频带宽度 低端频响高通（high-pass） 高端频响低通（low-pass）l时间常数（时间常数（tctc，time constanttime constant） tc1/（2 fl） 时间常数的设定数值直接影响erps波形是否失真，至关重要。tc对erps波形的影响正常被试的

17、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（大学生？）正常（大学生？）临床病人临床病人儿童儿童特因条件特因条件 setup setup 文件的创建文件的创建 脑电记录参数的设置（操作讲解） eegeeg记录前的准备记录前的准备1、被试填写“被试情况表格” ；2、关于洗头（使用中性洗头膏）；3、使被试了解实验的科学性和无损伤性；4、详细讲解指导语；5、提醒实验过程中应注意的问题，如放松、少动等。需要

18、说明的是，要告诉被试实验中间可以休息，但要在实验前上厕所；考虑到限制眨眼导致的伪迹可能更大，可以要求被试在自然放松的前提下，尽量少眨眼，但不能限制被试眨眼。 安放电极安放电极 eeg eeg 预记录预记录脑电基本波形是否正常、脑电基线是否平稳、有无干扰；让被试进行眼睛动作（闭眼睁眼、转动眼球、水平扫视）；如果记录了心电，需要观察心电的基本波形是否正常、节律是否稳定以及心跳周期；如果记录了肌电，需要让被试进行按键反应，以观察肌电记录是否正常；让被试作充分的练习，以及刺激的产生和按键反应是否正确等。 l密切监测非脑电伪迹l实验前告知被试关于伪迹的注意事项以减少伪迹l确定伪迹的剔除标准 eog的去除

19、(相关法) pca/ica svd & spatial filter基本过程基本过程（操作讲解）1.1. 合并行为数据和脑电预览合并行为数据和脑电预览2.2. 去除眼电、去除眼电、心电心电、肌电肌电伪迹伪迹3.3. 脑电分段脑电分段4.4. 基线校正基线校正5.5. 去除伪迹去除伪迹6.6. 叠加平均叠加平均7.7. 平滑化处理（平滑化处理（smooth datasmooth data，根据具，根据具体情况具体分析）体情况具体分析）/ / 数字滤波（根据具体情况数字滤波（根据具体情况有选择地进行）有选择地进行）8.8. 总平均总平均伪迹剔除伪迹剔除（操作讲解） 相关法 pca/ica

20、svdsvd平滑化处理平滑化处理（操作讲解）数字滤波的应用数字滤波的应用（操作讲解） fp1*fp2*f7*f5*f3*fz*f4*f6*f8*m1*t3*c5*c3*c1*cz*c2*c4*c6*t4*m2*t5*p5*p3*pz*p4*p6*t6*o1*oz*o2*heogveogeeg file: cochlear implant artifact.avgrate - 1000 hz, hpf - 0 hz, lpf - 200 hz, notch - offica reduction of artifactica reduction of artifactstimulus artifa

21、ct removalstimulus artifact removalms-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0v0.07.515.022.530.037.5ms-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0v0.02.55.07.510.0mgfpica reduction of artifactica reduction of artifactstimulus artifact removalstimulus artifact removalica reduction of artifactica reduction

22、of artifactselect pcaica functionselect pcaica functionica reduction of artifactica reduction of artifactextend cursors to ends of epochextend cursors to ends of epochica reduction of artifactica reduction of artifactswitch from pca to icaswitch from pca to icaica reduction of artifactica reduction

23、of artifactdeselect the first componentdeselect the first componentica reduction of artifactica reduction of artifactapply filterapply filterica reduction of artifactica reduction of artifactexamine resultsexamine resultsfp1*fp2*f7*f5*f3*fz*f4*f6*f8*m1*t3*c5*c3*c1*cz*c2*c4*c6*t4*m2*t5*p5*p3*pz*p4*p6

24、*t6*o1*oz*o2*heogveogt6*fp1*fp2*f7*f5*f3*fz*f4*f6*f8*m1*t3*c5*c3*c1*cz*c2*c4*c6*t4*m2*t5*p5*p3*pz*p4*p6*o1*oz*o2*heogica reduction of artifactica reduction of artifactapply 30 hz low pass filterapply 30 hz low pass filteruniversityofcaliforniaberkeleyeegrecordedatvarian4t(f)mriucberkeleyraweegrecord

25、edinvarian4t(f)mriucberkeley00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420fp1-fp2-f7-f3-fz-f8-ft7-fc3-fcz-fc4-ft8-t3-c3-t4-tp7-cp3-tp8-t5-p3-pz-p4-t6-o1-oz-o2-a1-a2-ekgl-ekgr-veogr-veogl-512 v400 msepisequenceartifactepisequenceextractedfromeeg00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420fp1-fp2-f7-f3-fz-f8-ft7-fc3-fcz-fc

26、4-ft8-t3-c3-t4-tp7-cp3-tp8-t5-p3-pz-p4-t6-o1-oz-o2-a1-a2-ekgl-ekgr-512 v400 msucberkeleyepisequenceartifactextractedballistocardiogramextractionucberkeley208800:01:3100:01:3200:01:3300:01:3488888888fp1-fp2-f7-f3-fz-f8-ft7-fc3-fcz-fc4-ft8-t3-c3-t4-tp7-cp3-tp8-t5-p3-pz-p4-t6-o1-oz-o2-a1-a2-ekgl-ekgr-v

27、eogr-veogl-128 v400 msepisequenceartifactextractedballistocardiogramartifactextractedlthe initial encoding of information (e.g., emotion; emmn - l zhao, et al., 2006, 2007) may be relatively attentional resource-free but that top-down, controlled processes become involved as more time passes.lfmri m

28、ethodology is unable to separate relatively fast versus slow encoding processes due to the slow time course of the hemodynamic response (e.g., aguirre, et al, 1998; miezin, et al, 2000)ms-200.0-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0v0.0-50.0-100.0-150.0-200.0-250.050.0100.0150.0200.0250.0ms-200.0-10

29、0.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0v0.07.515.022.530.037.545.052.5mgfpgenerateaveragedartifact(e.g.eyeblink)performspatialsvdgeneratecorrectionldrapplyldrasspatialfiltertoreduceartifactucberkeleyo2o1ozpzp4cp4p8c4tp8t8p7p3cp3cpzczfc4ft8tp7c3fczfzf4f8t7ft7fc3f3fp2f7fp1po5po3p1pozp2po4cp2p6po6cp6c6po8

30、po7p5cp5cp1c1c2fc2fc6c5fc1f2f6fc5f1af4af8f5af7af3fpz800ms5 v+178.0 ms242.0 mslatency (ms)-200.0-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0amplitude (v)0.02.55.0-2.5-5.0boundaryelementmodel-basedonmni*averagemri-3-shellheadmodel-residualvariance6%-fmriactivationshowninwhitefmri activation shown in whitee

31、rp离线分析的几个重要问题basar 等（1984，1985） time-frequency analysis lbandanalysis evokedtime-phase locked inducedtime-, non-phase lockedlerd/ers event-related desynchronization event-related synchronizationlcoherenceanalysisl.- picton, alain, & mcintoshvep-2dvep-2dfrequencyfrequencyvep-2dvep-2dvep-3dvep-3d-

32、200.0-100.0 0.0100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.00.0-2.5-5.02.55.07.510.012.515.0fz-200.0-100.0 0.0100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.00.0-2.5-5.0-7.5-10.02.55.07.510.0p4 normal depressionvppn170face recognition怎样确定用于溯源分析的时间范围？怎样确定用于溯源分析的时间范围？如何有效地使用如何有效地使用pca/ica？什么情况下需要将某些什

33、么情况下需要将某些ica成分滤除？成分滤除？对自己的数据，应该选择哪一种源重构模型最适当？对自己的数据，应该选择哪一种源重构模型最适当？如何判断得到的溯源结果是否真实？如何判断得到的溯源结果是否真实？mcgurk effect.ppt视听整合电流密度动态变化erpserps研究研究成分研究成分研究应用研究应用研究cnvp300（p3a）n400？mmn特点及其影响因素起源及产生机制心理生理临床应用特因条件功能评估注意、记忆、语言加语言加工工、知觉、意识等神经精神科、昏迷愈后、辅助诊断等航空、航天、航海、恶劣环境条件等驾驶疲劳、智能评估、音乐认知能力、健康评估等lwordlsentencelco

34、ntextllearninglsemanticlsyntaxlvisual and auditory modalityllmirror effect of chinese word perception 反应时和正确率比较刺激 反应时/ms 正确率/%正像字 542.2436.90 90.721.40镜像字 886.6762.37 71.213.80(y. zheng, et al. submitted)ms-2001000uv 15-15cpz-200400uv5-12.5cb1msnormalmirrormirroreffectn4(y. zheng, et al. submitted)t

35、he differences between the mmns elicited by comes and come recorded at fcz are shown for the experiments where these words were presented out of context (red curves) and in context (blue curves)the ungrammatical deviant stimulus elicited a larger mmn than the correct sentence at left-anterior record

36、ing sites and the cortical sources of the grammatical effects revealed a main source in the left frontal cortex. (pulvermller & shtyrov, 2003)lgrammarcanbeprocessedautomaticallyln400ln400processingofincongruousmentalcalculationproblems-an arithmetic n400 effect(michael niedeggen, frank rsler and

37、 kerstin jost, 1999)儿童认知发展研究儿童认知发展研究p2(laurel j, et al. 2003 )effects of musical training on the auditory cortex in children (laurel j, et al. 2003 )effects of musical training on the auditory cortex in children (thomas jacobsen and erich schrger, 2001)(l. zhao & j. li, 2006)visual mmn-expressio

38、n mmn(l. zhao & j. li, 2006)(l. zhao & j. li, 2006)oddball1:5control1:1:1:1:1is there pre-attentive memory-based expression mmn?(l. zhao, et al, 2007, unpublished data)black-dev. (sad); red-con. (sad); blue-stan. (neutral).is there pre-attentive memory-based expression mmn?is there pre-atten

39、tive memory-based expression mmn?(l. zhao, et al, 2007, unpublished data)left viewright viewback view信息信息自动加工自动加工(?)(?)的指标的指标视觉注意效应注意效应听觉注意效应听觉注意效应朝向反应朝向反应整合、背景更新、决策加工整合、背景更新、决策加工注意保持注意保持813hz、40hz、60hz、90hzmmn p1/n1p20-50/n1 n2b/p3a p3b cnv eeg注意注意 & erp/eegeeg（相干、同步、频谱）（相干、同步、频谱） erp（成分、脑区定位、偶极子和电流密度溯源）（成分、脑区定位、偶极子和电流密度溯源）the medial frontal cortex and the rapid processing of monetary gains and losses. william j. gehring, adrian r. willoughby. 2002fzthemedial-frontalnegativity(mfn)mfnwilliam j. gehring, adrian r. willoughby. 2002神经精神疾病的认知功能障碍： 认知过程 认知功