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ERP 基本理论与实验设计 苏州大学心理与教师教育实验教学中心 疏德明 ERP 简介 n一、是什么？ n二、做什么？ n三、为什么做？ n四、怎么做？ n活的人脑（身体其它部位也一样）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 。通过叠加技术获得的与事件发生进程有锁时（ time-lock）关系的脑电就称为事件相关电位（ERP ） ERP定义 广义: 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 。 属于心理生理学研究范畴 撤消刺激时引起电 位的物理量约等于 给予刺激时的1/7 狭义： 凡是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统的某一部位 ，在给予刺激或撤消刺激（）时，在脑区引起的电位变 化。 三个概念的区别与联系 nEEG（electroencephalography) :脑电图，由 脑电仪直接记录到的电位与时间的相互关 系的平面图。 nEP (evoked potentials)：神经系统对刺激本身 产生的反应。（普通的诱发电位） nERP (event-related potentials)：既与刺激的物 理属性相关又与心理因素相关 （任何区分只有相对意义，ERP的早期成分中包含EP，分析ERP时要求熟悉EEG 与EP的基本特征） 外源成分VS早期成分 为什么ERP可以通过叠加平均得出？ nERP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）。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。 nERP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 。 -200200400600800 ms -2.0 -4.0 2.0 4.0 6.0 潜伏期 基线峰 峰峰 ERP的优势 n极高的时间分辨率 ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度可达到微 秒级（采样率可达20000次/秒）。 nERP可以与行为数据很好融合 特别是反应时间（RT）很好地配合，以研究认知加工过程 的规律。 n一定程度上实现发生源的平面、立体定位 （不过空间分辨率不高，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，比如偶极子，这种方法的可 靠性也是有限的） n无创性、设备相对简单，对环境要求不高 二、做什么？ n极高的时间分辨率 考察事件认知的精细过程 n与行为数据的很好融合 考察不同反应时与正确率时的ERP n一定程度上的发生源定位 对相关事件进行脑区定位，是以前反应时无法做到 的 选 题 n事件差异：输入输出通道、事件的内容与 呈现顺序、要求的认知过程 n个体差异 ：年龄、性别、文化背景（民族- 如研究种族歧视）、语言、习俗-）、生理 （疾病）、心理（人格、情绪、技能、智 力-） nERP 事件、个体差异鉴别确认 四、怎么做-实验程序 n实验前 n实验时 n实验后 实验前 1、提出有价值、可操作性问题 2、疏理研究的基本理论、提出研究假设 3、设计出作业任务、刺激呈现、记录方式（ 行为数据的采集，包括反应时间、按键反 应、正确率和错误率、以及事后的口语报 告（由于口语报告会产生大量肌电，所以 ERP研究一般不能进行实时的口语报告或出 声思维-） 实验时 n1、电极的安置 （作用电极、参考电极、） 接地电极） n2、相关参数（电阻、放大倍数、带宽、釆 样率、陷波） n3、预实验（基本波形、眼睛动作、心电、 肌电、练习） n4、正式实验（创建文件名、记录安静时脑 电、监控伪迹） 实验后 （一）EEG的离线分析 （二）ERP分析 （三）结合已有研究对分析结果进行解释， 写实验报告或论文 （一）EEG的离线分析 1、合并行为数据和脑电预览 2、去眼电、心电、肌电伪迹 3、脑电分段 4、基线校正 5、去除伪迹 6、叠加平均 7、平滑化处理/数字滤波 8、总平均-得出ERP波形图 （分析步骤基本顺序不要轻易调 换） B.ERP数据提取过程 EEG 放大 A/D 叠加 总 测量 转 排伪 存盘 平 绘图 EOG 模滤 换 数滤 均 统计 模拟/数字 磁带记录 (离线式) （二） ERP分析技术与方法 n1、时域特征的分析 n2、时频分析 n3、脑电地形图与脑电 密度图 n4、ICA与偶极子溯源 分析 （一）时域特征的分析 n 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 。 n 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间。 n 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、 始潜时和波幅等指标，两种条件造成的波 形在头皮上的分布情况，以及定位分析。 -200200400600800 ms -2.0 -4.0 2.0 4.0 6.0 潜伏期 基线峰 峰峰 设置条件1与条件 2，分别产生A峰B峰 。 测量并比较峰A 与峰B的潜伏期、始潜 时、波幅等指标。 比较条件1与条件 2的波形在头皮的分布 。 相减技术 相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与 心理机制相关的ERP成分具有重要意义。 脑电地形图 n 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。 n 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。 根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩 色地形图、灰度地形图、等高线地形图 偶极子定位 n 偶极子（dipole）是由多对数值相等、符号相反 的电荷，彼此相隔一定距离时形成的体系。偶极 子被认为是ERP的脑内源。 n 在神经冲动的传导过程中，在两个神经元之间 的突触处形成负离子占优，在下一个神经元的顶 树突处形成一个纯粹的细胞外负电位，同时在此 神经元的其它部分（细胞体和基底树突）又形成 一个纯粹的正成分，这样就构成了一个微小的电 流偶极子。 偶极子产生原理示意 n 当刺激引起大脑某部位激活时，多个相 同方式激活的神经元所构成的电流偶极子 将累加，这样将形成一个大偶极子其电位 将通过大脑的传导到达头皮，虽