ERP—系统初步.doc

EEG/ERP脑电分析系统初步 摘 要：本文介绍了脑电波EEG的产生机制、特征等基本知识，介绍了ERP的特征、分类、基本原理、测试方法、刺激模式、影响事件相关电位的因素和ERP研究的应用。并对EEG/ERP脑电分析系统的各个方面作了说明。 关键词：EEG；ERP；脑电分析1 引言 大脑在头盖骨的覆盖和保护下。而头皮，即一层薄薄的皮肤，则覆盖在头盖骨之上。紧贴在头盖骨下方的大脑的最大的部分就是大脑皮层。大脑皮层由神经细胞（神经元）组成；大多数神经元彼此相联共同作用，并与大脑其他部位形成联结。大脑皮层神经元不停地发送、接收神经冲动信号，即使在睡觉时也不例外。在生物、医学或更广泛的意义上，大脑皮层脑电活动的消失就意味着死亡。大脑皮层的功能包括抽象思维、推理、对头部肌肉无意及随意的控制，以及对机体、内脏和特殊神经刺激的识别。大脑皮层的特定脑区处理或产生各种信号。比如说，枕叶负责处理视觉信息，而顶叶则负责处理机体感觉信号，例如皮肤痛觉或温度觉。 感觉由外周传入大脑的低级中枢，再到皮层的各个脑区。由于大脑皮层紧挨着头盖骨，因而在对应大脑特定脑区的头皮上安置电极就能测到活跃着的神经元的放电情况。用电极对大脑的活动进行记录就叫做electroencephalogram 或简称 EEG (其中electro = electrical, encephelo = brain, gram = record).刺激动物的身体能使脑波发生变化，他利用这种变化来研究身体之部位与大脑皮质区的关系，并探讨大脑皮质区的功能，成为后来神经诊断学中诱发电位（ evoked potential ）发展的基础。目前量测脑波记录可分为两种，一是脑电波（ electroencephalogram, EEG ），测量大脑皮质的电流，大脑皮质的电流是发生在细胞外的电流，是由细胞群与其他细胞群之间的电位差形成的。 另一是脑磁波（ magnetoencephalographic, MEG ），此乃根据法拉第定律电生磁，当脑神经活化时所产生的电讯号会引发磁场变化，所侦测到讯号的大小即为脑磁波。2 EEG （脑波） EEG的电极主要侦察在其正下方的脑区的活动情况。不过，其接收的信号来自成千上万的神经元。事实上，一平方毫米的大脑皮层上有10万多个神经元。一个人在警觉状态下大脑皮层的各个脑区都忙于 接收、整合和发送信号，而这些活动都将被EEG侦察到。只有当一个区域的输入信号与其自身的脑电活动同步时，才能够在EEG中区分出简单、周期性的波形。 1929年，一位叫汉斯博尔格的奥地利生理学家发现，安置在脑皮上的电极能够检测到各种各样的脑电活动。在证实这些记录确实是大脑活动而不是肌肉或头皮运动的产物后，科学家们就开始了对这些“脑电波”的研究。今天在医学上，EEG仍旧是一个有用的检测工具。而医学和基础研究中，关于特定脑波与睡眠期、情绪状态、心理整体情况、心理操作类型之间的相关研究也还在继续。EEG记录的四种简单周期波为alpha, beta, delta, 和theta波。我们用频率（Hz）和振幅来标定这些波。头皮电极记录的振幅以微伏为单位（uV 或l/l,000,000伏）。3 事件相关电位(简称ERP) 3.1事件相关电位ERP简介 对大脑高级心理活动如认知过程作出客观评价，我们很难将意识或思维单纯归于大脑某一部位组织、细胞或神经递质的改变，因为仅采用具体、微观的自然科学手段如神经分子生物学、神经生化学难以解决具体的心理活动。二十世纪六十年代，Sutton提出了事件相关电位的概念，通过平均叠加技术从头颅表面记录大脑诱发电位来反映认知过程中大脑的神经电生理改变，因为事件相关电位与认知过程有密切关系，故被认为是“窥视”心理活动的“窗口”。神经电生理技术的发展，为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。 （一）诱发电位的特征 事件相关电位（ERP）是一种特殊的脑诱发电位，通过有意地赋予刺激仪特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。它反映了认知过程中大脑的神经点生理的变化，也被称为认知电位，也就是指当人们对某课题进行认知加工时，从头颅表面记录到的脑点位。经典的ERP主要成分包括P1、N1、P2、N2、P3，其中前三种称为外源性称为，而后两种称为内源性成分。这几种成分的主要特点是：首先不仅仅是大脑单纯生理活动的体现，而且反映了心理活动的某些方面；其次，它们的引出必须要有特殊的刺激安排，而且是两个以上的刺激或者是刺激的变化。其中P3是ERP中最受关注和研究的一种内源性成分，也是用于测谎的最主要指标。因此，在某种程度上，P3就成了ERP的代名词。事件相关电位（ERP）是一种特殊的脑诱发电位，诱发电位(Evoked Potentials，EPs)，也称诱发反应(Evoked Response)，是指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。诱发电位应具备如下特征：1.必须在特定的部位才能检测出来；2.都有其特定的波形和电位分布；3.诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现。 （二）诱发电位的分类 诱发电位的分类方法有多种，依据刺激通道分为听觉诱发电位、视觉诱发电位、体感诱发电位等；根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚(长)潜伏期诱发电位和慢波。临床上实用起见，将诱发电位分为两大类：与感觉或运动功能有关的外源性刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件相关电位(Event-Related PotentialS，ERPs)。 内源性事件相关电位与外源性刺激相关电位有着明显的不同。ERPs是在注意的基础上，与识别、比较、判断、记忆、决断等心理活动有关，反映了认知过程的不同方面，是了解大脑认知功能活动的“窗口”。经典的ERPs成分包括P1、Nl、P2、N2、P3(P300)，其中P1、N1、P2为ERPs的外源性(生理性)成分，受刺激物理特性影响；N2、P3为ERPs的内源性(心理性)成分，不受刺激物理特性的影响，与被试的精神状态和注意力有关。现在ERPs的概念范围有扩大趋势，广义上讲，ERPs尚包括N4(N400)、失匹配阴性波(Mismatch NegatiVity，MMN)、伴随负反应(Contigent NegatiVe Variaeion，CNV)等。但长期以来有人通常以P3作为事件相关电位的代称，虽有失偏颇，但临床应用甚广。3.2 事件相关电位(简称ERP)的基本原理一次刺激诱发的ERP的波幅约210V，比自发电位(EEG)小得多，淹没在EEG中，两者构成小信号与大噪音的关系，因此无法测量，无法研究。但 ERP有两个恒定，一是波形恒定，一是潜伏期恒定。利用这两个恒定就可以通过叠加，从EEG中将ERP提取出来。为了从EEG中提取出ERP，需对被使者施以多次重复刺激“S”。将每次刺激产生的含有ERP的EEG加以叠加与平均。由于作为ERP背景的EEG波形与刺激见无固定的关系，而其中所含之ERP 波形在每次刺激后是相同的，且ERP波形与刺激间的时间间隔(潜伏期)是固定的，经过叠加，ERP与叠加次数成比例的增大，而EEG则按随机噪音方式加和。3.3 ERP成分概述（1）CNVCNV在1964年为Walt和Cooper等所发现。若在测量反应时，先给出一个预备信号(如一个短音或一个闪光)，令被使者听(或看)到命令信号后尽量快地按键，则可在预备信号和命令信号之间观察到脑电发生浮想偏转，Walt和Cooper等称此负向偏转为contingent negative variation,简称CNV，中文称为伴随性负变化或负关联。CNV的头皮分布以Cz点波幅最大。（2）P300P300系Sutton等1965年所发现。P300即为晚期成分的第三个正波P3，由于当初发现的P3是在300ms左右出现的正波，故称之为P300。后来随者与P300类似的成分的不断被发现，P300形成了一个含有多个子成分的家族。（3）MMN1978年首先报道。典型的实验是，仍然运用上述产生P300的Oddball实验模式，标准刺激为1000Hz的短纯音，偏差刺激为800Hz的短纯音，分别在被试双耳中呈现。令被试者双耳分听，即注意一只耳的声音，并对偏差刺激进行反应，而不注意另一只耳的声音。结果无论注意与否，在约250ms内偏差刺激皆比标准刺激引起更高的负波。若以偏差刺激引起的ERP减标准刺激引起的ERP,观察此差异波，则可见到在约100ms至250ms之间出现了一个明显的负波，此即mismatch negtativity(失匹配负波)，简称MMN.（4）N400N400是研究脑的语言加工原理常用的ERP成分。它首先由Kutas等于1980年报道。他们令被试者对屏幕上呈现的句子进行认知反应，故意将某些句子的最后一个词写为畸义词。当在屏幕上逐个呈现这句话的单词，并记录各个单词诱发的ERP时发现，该句尾畸异词诱发的ERP在400ms左右出现了一个新的负成分，以此命名为N400。研究发现，N400的波幅与畸义词对其语境背离的程度相关。N400在揭示语言加工的认知规律上发挥了很大作用，然而关于N400反应的仅仅是语言本身的性质，还是广义的语义加工，甚至它是否仅与语言相关的问题仍有争议。研究表明，产生N400的脑机制是很复杂的，也许这是由于语言脑机制的复杂性所致。虽然目前已在正常人和语言障碍患者上做了不少工作，但距离彻底揭示N400的原理，需要走的路还很长。3.4 事件相关电位的测试方法 事件相关电位属于长潜伏期诱发电位，测试时一般要求被试者清醒，并在一定程度上参与其中。引出ERPs的刺激是按研究目的不同编制而成的不同刺激序列，包括两种及两种以上的刺激，其中一个刺激与标准刺激产生偏离，以启动被试的认知活动过程。如果由阳性的物理刺激启动，除了由认知活动产生的内源性成分，尚包括外源性刺激相关电位；如由阴性刺激来启动心理活动过程，则引出由认知加工而产生的内源性成分。P3为ERPs中重要的内源性成分，现时对它的研究最为广泛。多为神经精神学科研究，如精神分裂症、脑血管疾病和痴呆症、智力低下等，通过研究P3的潜伏期、波幅、波形变化，反映认知障碍或智能障碍及其程度，同时尚应用于测谎研究。另有人将P3、CNV用作观察神经精神药物治疗效果的指标。事件相关电位的另一内源性成分N2为刺激以后200毫秒左右出现的负向波，反映大脑对刺激的初步加工，该波并非单一成分，而是一复合波，由N2a和N2b两部分组成，N2a不受注意的影响，反映对刺激物理特性的初步加工。3.5 刺激模式刺激模式的设置是研究ERPs的关键，要求根据研究目的不同设计不同的刺激模式，包括两种及以上不同概率的刺激序列，并以特定或随机方式出现。包括视觉刺激模式、听觉刺激模式、躯体感觉刺激模式。听觉刺激模式包括三类：1.随机作业(OB刺激序列)；2.双随机作业；3.选择注意。OB刺激序列(oddball paradigm)：通过耳机同步给高调、低调纯音，低概率音作为靶刺激，诱发ERPs。通常靶刺激概率为1030，非靶概率70一90，刺激间隔多采用152秒，刺激持续时间通常为4080毫秒，反应方式为或默数靶信号出现次数或按键反应。3.6 影响事件相关电位的因素1物理因素 刺激的概率：靶刺激概率越小，P3的波幅越高，反之，波幅减小。一般靶刺激与非靶刺激的比例为20：80；刺激的时间间隔：间隔越长，P3波幅越高；刺激的感觉通道：听、视、体感感觉通道皆可引出ERPs，但其潜伏期及波幅不尽相同。2心理因素 事件相关电位检测过程中一般要求被试者主动参与，因而被试者的觉醒状态、注意力是否集中皆可影响结果。另外，由于被试者只有识别靶刺激并作出反应才能诱发出ERPs成分，因此，作业难度对测试结果也有影响，难度加大时，波幅降低，潜伏期延长。3 生理因素年龄：不同年龄P3的波幅及潜伏期不同。潜伏期与年龄呈正相关，随年龄增加而延长，而波幅与年龄呈负相关。在儿童及青少年，波幅较高；分布：ERPs各成分有不同的头皮分布。3.7 ERP研究的应用ERP被广泛应用于脑功能研究，在心理学、生理学、认知神经科学及医学临床等领域，取得了巨大成就，被誉为“观察脑功能的窗口”，有很高的研究与应用价值。 事件相关电位(ERP)被誉为观察脑高级功能的窗口。ERP（事件相关电位）指的是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。近年来，随着认知神经科学研究的突飞猛进，ERP更是受到脑科学界更为广泛的关注。就认知神经科学而言，它是侧重于研究认知过程神经机制的交叉学科，而ERP的优势正是具有很高的时间分辨率（毫秒），此外，ERP便于与传统的心理测量指标反应时有机地配合，进行认知过程研究，且具有无创性。多导联ERP设备的应用，也很好地解决了其空间分辨率的局限， 256导EEG/ERP系统的空间分辨率可以达到毫秒级，是科学工作者进行认知神经科学的教学和研究的最得力、最有效的方法和手段。ERP/EEG的研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等多个领域，发现了许多与认知活动过程密切相关的成分，如CNV、P300、MMN、N400等等。256 EEG/ERP系统具有很高的技术优势，在基础教学和科学研究方面均有无可比拟的优点。该系统可以优化学科结构，可以进行多学科的交叉资源共享。例如，可以同时记录被试在某种认知活动或心理状态下的脑电、肌电、心电，由于该设备具有最先进的脑成像分析软件，因此，学生即可以了解脑活动的基本过程，同时又可以把中枢神经系统的功能与周围神经系统的表现有机地综合，从而把生物学、生理学、心理学和医学解剖的教学有机地结合起来。在科学研究方面， 256 EEG/ERP系统可以进行多学科的研究，包括生理学、心理学、医学等等，是目前最先进的研究设备。例如，在感觉神经科学方面，该设备可以记录分析听觉、视觉和体感诱发电位，并可以进行2D和3D成像以及溯源分析，以深入研究感觉通路和初级皮层的功能状态；认知神经科学方面，可以进行该领域的各项研究，如语言加工、注意、记忆、意识等；在医学研究方面，可以进行包括精神病、失语征、学习困难、多动症、老年痴呆、睡眠等在内的各种研究。 ERP 除应用于临床,服务于患者外,在其它领域也有了蓬勃的发展，现举例如下: 1提高工效 人的工作能力是决定工作效率的重要因素，在人的能力中，认知活动又是最基本，也是最重要的内容。利用ERP 技术，从心理生理学角度来研究人的信息加工能力，可比单纯行为学更科学地说明工作能力的高低的机制及其影响因素。例如:美国空军单位，已用ERP试验来选拔飞行员，并进行训练观察，预测未来飞行成绩的高低。 2智力开发研究资料表明，左脑是掌管逻辑思维的，而右脑则倾向于形象思维。北京市曾进行过以下实验：选40名右利手且视力正常的小学生，分为两组，一组为实验组，另一组为常规组。实验组采取形象教学法，常规组则采用传统教学法。结果分析表明，实验组右半球P300时限显著缩短，而对照组两半球P300基本对称，反映了形象教学开发右脑的效果。 3测谎传统测谎是在询问受试者与案情有关或无关问题时，记录其心电、血压、呼吸等指标，实际上是以植物神经变化为指标，间接判断心理活动，故假阴性率和假阳性率都很高。而P300则不然，它是以波幅和波面积作为指标。可以选用不同内容(人物或环境) 的照片作有关刺激和无关刺激组成序列。人对熟知的人或环境所记录的电位波幅必然要高，面积也相应要增大，而对不熟的人或环境所记录的电位波幅必然要低，面积也较小。测谎的目的是判定单个受试者有无谎情，其答案必须是“是”或“否”。根据受试者的答案和波幅及波面积，判定其是否在撒谎，从而获得了较高的准确度。3.8 实验模式(1) Oddball模式Oddball实验模式是指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，经常出现的刺激称为大概率或标准刺激(standard stimuli),偶然出现的称为小概率或偏差刺激(deviant stimuli)。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。这是诱发P300、MMN等与刺激概率有关的ERP 成分时常用的经典实验模式。(2)Go-Nogo模式两种刺激的概率相等。令被试反应的刺激叫做Go刺激，即靶刺激；不需被试反应的刺激叫做Nogo刺激。该模式也叫做Go与Nogo作业，其特点是排除勒刺激概率对ERP的影响；由于没有大小概率之分，大大节省勒实验时间，这是它突出的优点，但也丢失勒因大、小概率差异而产生的ERP成分。(3)跨通路研究模式“跨通路”(Cross-Modal)是指在同一实验模式中采用不同感觉通路的刺激物，通常为视觉与听觉刺激，常用于选择性注意的研究。(4)各种特定认知实验模式如运动知觉、记忆、意识研究。4 Net Station的介绍Net Station是Electrical Geodesics, Inc. (EGI)公司推出的完整的软件包，用于处理EEG（electroencephalography ）和ERP（event-related potential）数据。具体来说，主要有以下功能：采集EEG数据；对EEG数据做各种各样的操作，主要是ERP的获得；查看和导航EEG和ERP数据。4.1 Net Station Waveform ToolsNet Station Waveform Tools用于对EEG数据做不同的操作，从而获得ERP数据。也可以说，Net Station Waveform Tools用于离线(off-line)数据处理，去除伪迹和增加ERP的信噪比。4.2 获取ERP的步骤（1）滤波（Filtering）（2）分段（Segmentation）（3）伪迹检测（Artifact Detection）（4）坏导替换（Bad Channel Replacement）（5）去除眼电伪迹（Ocular Artifact Removal，OAR）（6）伪迹检测（Artifact Detection）（7）坏道替换（Bad Channel Replacement）（8）平均叠加（Averaging）（9）平均参照（Average Referencing）（10）基线校正（Baseline Correction）（11） 数据提取(Statistic Extraction)5 ERP与常规EEG及诱发电位的区别5.1 ERP信号的优势与缺点 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。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据，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。 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的主要弱点在于低的空间分辨率，ERP在空间上只能达到厘米级，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。5.2 ERP与常规EEG及诱发电位的区别 随着脑电的问世及逐步发展,人们认识到：大脑活动时有生物电伴生，这个脑的生物电可以记录，脑电活动会因周围环境的刺激如声光而发生改变，脑电波会因心理活动而改变，尽管还无法判定二者之间的准确关系。从信息学角度分析，EEG并不完全是绝对的“自发”电位，也含有外来刺激，只不过无法将刺激引起的脑电生理变化之内容和意义分辨出来。习惯上，人们仍将EEG称为脑的“自发”电位,其用意是相对于特别安排的刺激引出的电位，后者常被称作“诱发”电位。ERP与普通EEG的区别在于前者是接受特意安排的重复刺激，经平均叠加得到的。 对于诱发电位而言，其他诱发电位如视、听、体感、脊髓诱发电位、运动诱发电位等，这些诱发电位对于研究人脑的高级功能，如知觉、注意、记忆、智能等过程几乎仍然是无能为力的，因为这些诱发电位是用单一的固定不变的刺激，并且无须受试者对试验主动参与。而ERP测试要求受试者一般需意识清醒，不但被动受检，而且要求他们在一定程度上参与试验，且必须有两个以上的刺激组成刺激序列或刺激范型。 必须指出, 虽然ERP已经在一定程度上反映了认知与电位之间的关系，但这种成分存在时间仍然很短，不超过一秒，尽管它受认知过程的影响，却并未深入到意识内容之中，故仍然只能说它是一个有限的“窗口”。6 脑功能成像EEG/ERP和fMRI6.1脑功能成像脑功能成像是指利用各种成像技术对大脑功能活动进行显示的过程，包括脑电图（EEG）、事件相关电位（ERP）、正电