事件相关电位ERPs研究生上课

,事件相关电位(ERPs)技术及应用,曲琛,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,脑电研究的优势？,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（一）无创性。（二）时间分辨率高：认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。行为方法的指标反应时（RT）和正确率，通常反映的是从刺激到反应的全部认知的结果，不能区分认知中的阶段而观察其过程。ERP测量的则是从刺激到反应的连续过程。可以显示受实验自变量影响的是认知加工是哪个阶段或哪些阶段。（三） 可以实时地测量没有行为反应的认知加工。例如句中的某个词的实时加工。鉴于此，有的科学家将ERP称为“二十一世纪的反应时”（Luk，2005）。（四）具有脑自动加工的指标。例如MMN。为人类非意识加工、潜意识行为、无意识状态、内隐认知这类重要却难以研究的脑的自动加工领域提供了难得的研究方法与有效研究途径。 （五）空间分辨率128导约为3mm，达到了现代水平。（六）设备相对简单，对环境的要求不高。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,ERP提高空间分辨率较低（一）颅骨不匀且有个体差异。（二）容积导体效应。（三）电场封闭，例如，ERP主要来自皮质第3、5层，不全面，不正确。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,一、自发电位EEG与事件相关电位ERPElectroencephalography, Event Related-Potentials,EEG：不断发生/自发；ERP：诱发才有。EEG含有心理与生理信息，但非为波形本身。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。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,二、ERP的基本概念（一）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EP不仅外界刺激感觉所致，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,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（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的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，以及当某种心理因素出现/变化时在脑区所产生的电位变化。需要注意撤反应。,（二）ERP的定义,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,三、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理（一）特性： 1淹没，约2微伏 10微伏。 2 两个恒定：潜伏期、波形。（二）EEG对ERP的淹没与叠加基本原理,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,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 = 2,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,EEG and Evoked Potentials,EEG Evoked Potentials,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,13,ERP实验流程,13,实验前的记录设置（setup文件）,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（一）增益(Gain, 放大倍数Amplification): （1）一般取 10 5 。 （2）含Head Box 150倍。 （3）VEOG与HEOG应减小。 （4）分贝与放大倍数的关系：1dB = 20 log A， log A = dB/20 例如，A=10000，则可表示为80dB。 120dB，则 log A = 120/20 = 6， A=106 。 （5）易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚至成为直线。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,普通（单边）放大电路 差动式（双边）放大电路,（二）共模抑制比（辨差比，Common model rejection ratio, CMRR） 减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。 CMRR = Ad/Ac, Ad：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。 Ac 1 。 例如， Ad=50000， Ac=1/20，则CMRR = 106 = 120 dB。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（三）通过模拟滤波（设定频带宽度） 减少噪音与干扰(1)频响曲线：任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行放大，对超过者不放大；该范围表示为频响曲线。,频带宽度：- 3dB（ ，约0.7）倍Ad 时，高低频响间的频带宽度。范围的两端皆可调。,频率响应曲线,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,(2)低端频响FL：级间为阻容耦合，前级输出电压E一定。容抗Xc = 1/C，频率越低，容抗越大，落在电容上的电压Ec 越大，落在电阻上的后级输入电压ER越小，高频相反。所以只限制低频，故称高通(high-pass)。调节电容C可调节频响低端。例如将电容C调大，则容抗变小，更低频率的信号落在电容上的电压EC变小，落在电阻上的后级输入电压ER增大，以此拓宽了低端。时间常数（time constant, TC ）= 阻容乘积 = 1/（2FL），是低端频响之表达。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,(3)高端频响 Fh ：在输出端并联电容C。频率越高越短路掉，只限制高频，故称故低通(low-pass)。调节电容C可调节频响高端。例如将电容C调小，使较高频率的容抗增大，不致短路掉，以此拓宽了高端。(4)设定频带宽度，使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除噪音与干扰信号目的。频带宽度的设定数值将直接影响ERP波形是否失真，至关重要。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,时间常数对波形的影响,若TC = 10，则 FL = 1 / 2TC = 1/62.8 = 0.0159 Hz若TC = 1，则 FL = 1 / 2TC = 1/6.28 = 0.159 Hz若FL = 0.01 Hz，则 TC = 1 / 2FL = 1/0.0628 = 15.9若FL = 0.05 Hz，则 TC = 1 / 2FL = 1/0.314 = 3.18若FL = 0.1 Hz，则 TC = 1 / 2FL = 1/0.628 = 1.59ERP晚成分一般应取 FL = 0.01 Hz，最多取0.05，见上图。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,易犯的错误： off-line 进行不必要的数字滤波。 on-line 进行不必要的陷波(Notch)。 模拟滤波低端不够低。,（四）数字滤波(digital filter) ：一般不用。用于陷波去50周干扰，或只留慢波等特殊情况。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（五）A/D转换精度（amplitude resolution, AR）ERP的波幅分辨率。举例说明。 A/D转换卡Analog to digital converter 采样分辨率12 bit（位）。 输入电压范围（input range, IR）= 5V. 超过者视为5V而失真。 12bit 意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095个等级, 每个等级 10V4095=2.442 mV。 若Ad=20000, 则还原为放大前的脑电分辨率=2.442mV20000=0.1221V. 即非靶P300。,(Duncan-Johnson, et al., 1977),2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（4）P300的潜伏期随任务难度的增加而增加,3项实验，各含2种刺激，以大 小不同概率出现。实验1实线：判断具体名字是否 相同。实验2虚线：判断名字性别。实验3断线：判断是否为“刺”的同义词。扎、挑,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,（四）识别电位RP （Recognition potential ）,（1）1990年 Rudell A.P. 发现。由可识别（=可辨认，知道是什么）的视觉刺激诱发的200-300ms的负电位。视觉刺激的可辨认是诱发RP的必要条件。（2）RP出现的条件 RP的出现只与视觉刺激的可辨认性有关，而与刺激参量无关，如发光强度、所占视网膜面积、延续时间、字体、重复性等。可辨认的视觉刺激可以是字词、图画或漫画等。,图的左列（1、3）为可辨认的词。它们诱发的ERP绘于其右列第1行。中列（2、4）为不可辨认的物理参量相同的乱码或非字。它们诱发的ERP绘于其右列第2行。第3行（A、B）为差异波。短竖线为250ms处。实验结果表明，无论字词单个呈现还是多个同时呈现皆诱发出RP,而被试不可辨认的视觉刺激不诱发RP。,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,该图绘制格式与上图相同。与上图的区别只是可辨认的词与不可辨认的对照物混合呈现（1、3），2、4则全部为不可辨认的对照物。实验结果表明，无论字词是手写体（group）还是印刷体，或者可辨认的词与不可辨认的对照物混合呈现，皆诱发出RP，而被试不可辨认的视觉刺激不诱发RP。在这些实验中可辨认的刺激不一定是靶，但它是被试注意的对象。,（3）诱发RP的实验范式 在一般刺激呈现方式中，视觉刺激呈现在空背景中，不论刺激图像能否被识别，都会在500ms内诱发出一系列波幅较高的VEP晚成分。其中的RP在250ms 左右出现，波幅较小，与VEP晚成分重叠在一起，实际上是被 VEP晚成分掩盖而不能看出全貌。可采用两种方法减弱VEP晚成分而分离出较清晰的RP (Rudell 等, 1991, 1992 , 1997)。,N400,句尾歧义词相关词与无关词词与非词新词与旧词图片命名,ERP的经典实验设计,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,实验范式,一、经典范式: Oddball， Go-Nogo二、注意：Cue-target，Stroop三、记忆：工作记忆，长时记忆四、情绪与认知,95,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,一、经典范式-Oddball,Oddball范式是指实验中采用两种或多种不同刺激持续交替呈现，它们出现的概率显著不同。组成标准刺激(standard stimuli)大概率偏差刺激(deviant stimuli)小概率令被试对偏差刺激进行反应，因此该偏差刺激称为靶刺激（Target）或目标刺激。诱发P300、MMN等与刺激概率有关的ERP成分时的经典实验模式。,96,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,97,Oddball范式示意图,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,98,Oddball范式P3a和P3b,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,Go-Nogo,两种刺激的概率相等Go刺激令被试反应的刺激，即靶刺激 Nogo刺激不需被试反应的刺激特点：排除了刺激概率对ERP的影响；由于没有大小概率之分，大大节省了实验时间,99,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,(Krmer et al., 2010; Falkenstein et al., 1999),Nogo-N2 & Nogo-P3,Go-P3,100,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,101,二、注意: Cue-target,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,102,注意研究常用范式：提示-靶刺激任务,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,103,行为结果：无效提示RTs 中性提示 RTs 有效提示 RTs,视空间注意的行为实验结果（Posner，1980）,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,ERP研究举例,Hopfinger & Mangun (1998),104,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,105,ERP研究举例,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,106,ERP研究举例,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,107,绿,红,蓝,黑,紫,红,蓝,黑,绿,紫,自动加工与控制加工,Stroop任务,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,(Loitti et al., 2000),108,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,工作记忆的经典范式延迟样本匹配任务Delayed-matching-to-sample Task (DMST)是Sternberg 于1966 年研究记忆扫描范式的变式，是研究工作记忆中信息保持的经典实验范式，由目标、延迟和探测三个阶段组成。在目标阶段，给被试同时呈现一组刺激（几个字母、物体或空间位置），刺激消失后间隔数秒为延迟阶段，最后出现一个探测刺激，要求被试判断此刺激是否与目标阶段的某个刺激相匹配。此范式的特点在于三个阶段包含了不同的认知加工过程，目标阶段信息被编码输入，延迟阶段复述和保持信息，探测阶段提取和选择反应。,109,三、记忆,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,110,延迟反应范式的实验设计模式图（Smith & Jones, 1996）,目标阶段 延迟阶段 探测阶段,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,延迟样本匹配任务 信息保持 Slow Wave,（Mecklinger A & Pfeifer E, 1996）,111,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,工作记忆的经典范式 N-back范式被让试浏览一系列依次呈现的字母、数字或空间位置，然后要求被试判断每一个出现的项目是否与前面刚呈现过的第n个项目相匹配。此模式重点考察工作记忆的执行功能，特别是刷新功能。,112,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,113,N-back的实验设计模式图,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,P300,3-back,0-back,（Gevins AB, et al., 1996）,114,N-back 任务 刷新功能 P300,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,115,长时记忆的常用范式：学习-再认,理,张,理,舒,Time,学习阶段,测试阶段,旧,新,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,后继记忆效应（subsequent memory effects）根据测试阶段刺激被成功回忆与否，来比较学习阶段的ERP。A是根据所学习的词是否被随后自由回忆B是学习的词是否被成功再认记忆编码效应发生在300-400ms。被成功回忆的词语在编码阶段诱发更大的正走向。左半球的ERP效应大于右半球。,记忆编码的研究,116,（Paller, 1990）,2017/11/14,华南师范大学 曲琛,117,记忆提取的ERP研究,新旧效应： 研