ERP相关理论与实验设计

1、ERP 简介 一、是什么？ 二、做什么？ 三、为什么做？ 四、怎么做？ 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

2、：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 EEG（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。 EP (evoked potentials)：神经系统对刺激本身产生的反应。（普通的诱发电位） ERP (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？ ERP的

3、两个重要特征 事件相关脑电有两个重要特性：潜伏期恒定潜伏期恒定、波形恒定波形恒定；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，而而ERPERP信号则有两个恒定，所信号则有两个恒定，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。 ERP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

4、，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。 -200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期基线基线峰峰峰峰峰峰ERP的优势 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）。 ERP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。 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

5、的源定位，比如偶极子，这种方法的可靠性也是有限的） 无创性、设备相对简单，对环境要求不高二、做什么？ 极高的时间分辨率考察事件认知的精细过程 与行为数据的很好融合考察不同反应时与正确率时的ERP 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 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 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-） ERP 事件、个体差异鉴别确认四、怎么做-实验程序 实验前 实验时 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

6、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 1、电极的安置 （作用电极、参考电极、）接地电极） 2、相关参数（电阻、放大倍数、带宽、釆样率、陷波） 3、预实验（基本波形、眼睛动作、心电、肌电、练习） 4、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

7、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.ERPB.ERP数据提取过程数据提取过程 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 1、时域特征的分析 2、时频分析 3、脑电地形图与脑电密度图 4、ICA与偶极子溯源分析（一）时域特征的分析 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

8、验也很重要。 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。 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。-200200400600800ms-2.0-4.02.04.06.0潜伏期潜伏期基线基线峰峰峰峰峰峰 设置条件设置条件1 1与条与条件件2 2，分别产生，分别产生A A峰峰B B峰。峰。 测量并比较峰测量并比较峰A A与峰与峰B B的潜伏期、始潜的潜伏期、始潜时、波幅等指

9、标。时、波幅等指标。 比较条件比较条件1 1与条与条件件2 2的波形在头皮的分的波形在头皮的分布。布。相减技术相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与心理机制相关的心理机制相关的ERPERP成分具有重要意义。成分具有重要意义。脑电地形图 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。 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

10、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、等高线地形图色地形图、灰度地形图、等高线地形图偶极子定位 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。 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 当刺激引起大脑某部位激活时，多个相同方式激

11、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，虽受到脑脊膜和颅骨的阻抗，但仍可在头皮记录到。 ERP在头皮记录到的就是这种脑电信号。通过逆运算（inverse operation），即根据结果来估计原因，从头皮记录到的脑电情况来逆推其发生源，因而偶极子的确定严重依赖于算法，由于导联数目的限制和脑电在脑内传导时衰减和扩散，其准确性受到影响。谢谢观看！（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）（二） ERP分析技术与方法 1、时域特征的分析 2、时频分析 3、脑电地形图与脑电密度图 4、ICA与偶极子溯源分析 设置条件设置条件1 1与条与条件件2 2，分别产生，分别产生A A峰峰B B峰。峰。 测量并比较峰测量并比较峰A A与峰与峰B B的潜伏期、始潜的潜伏期、始潜时、波幅等指标。时、波幅等指标。 比较条件比较条件1 1与条与条件件2 2的波形在头皮的分的波形在头皮的分布。布。根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩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、等高线地形图色地形图