ERP高级培训班讲座

1、ERPs ERPs 实验高级培训实验高级培训赵 仑2007.3.，南京 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, Donald T & Robert T, 2nd, 2002Event-related potentials Even

2、t-related brain potentials 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？E

3、RPsERPs成分成分 1、ERPs是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EPERPP1/2N1Note：EP与ERP密切相关，

4、早期ERP成分与认知的关系要求我们对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） Face- N170-face detection paradigmOddballGo/Nogo跨通道研究模式跨通道研究模式运动知觉运动知觉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 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

5、成分的记录，刺激的持续时间最好晚成分的记录，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

6、电无处不在，无时不变，这样的部位是不，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，关于参考电极位置的争论从来没有年间，关于参考电极位置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

7、极。由于乳突或耳垂的脑电一般较小，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。由于双耳参考法不能观察乳突：将参考电极放在鼻尖。由于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

8、，常常将参考电极放置在鼻尖。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

9、。其缺点在于它是基于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。举例： VPP N170两个成分？两个成分？(Eimer, 2005)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 f

10、L） 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

11、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。

12、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(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，根据具体情况具体分析）据具体情况具体分析）/ / 数字滤波（根据具体数字滤波（根据具体

13、情况有选择地进行）情况有选择地进行）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 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 REDU

14、CTION OF ARTIFACTICA REDUCTION OF ARTIFACTStimulus Artifact 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 RemovalStimulu

15、s Artifact RemovalICA REDUCTION OF ARTIFACTICA REDUCTION 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 ICASwit

16、ch from PCA to ICAICA REDUCTION OF ARTIFACTICA REDUCTION 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

17、*F6*F8*M1*T3*C5*C3*C1*CZ*C2*C4*C6*T4*M2*T5*P5*P3*PZ*P4*P6*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 FilterUNIVERSITY OF CALIFORN

18、IABERKELEY EEG Recorded AtVarian 4T (f)MRIUC BERKELEYRAW EEG Recorded In Varian 4T (f)MRIUC BERKELEY00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420Fp1-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 msEPI SEQUENCEARTIFACTEPI SEQUENCE EXTRACTED

19、 FROM EEG00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420Fp1-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-512 V400 msUC BERKELEYEPI SEQUENCEArtifactExtractedBALLISTOCARDIOGRAM EXTRACTIONUC BERKELEY208800:01:3100:01:3200:01:3300:01:3488888888Fp1-Fp2-F7-F3-Fz-F8-F

20、T7-FC3-FCz-FC4-FT8-T3-C3-T4-TP7-CP3-TP8-T5-P3-Pz-P4-T6-O1-Oz-O2-A1-A2-EKGL-EKGR-VEOGR-VEOGL-128 V400 msEPI SEQUENCEArtifactExtractedBallistocardiogramArtifactExtractedUC BERKELEYRAW EEG Recorded In Varian 4T (f)MRIEPI SEQUENCEARTIFACT00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420Fp1-Fp2-F7-F3-Fz-F8-FT7-FC3-FCz-

21、FC4-FT8-T3-C3-T4-TP7-CP3-TP8-T5-P3-Pz-P4-T6-O1-Oz-O2-A1-A2-EKGL-EKGR-VEOGR-VEOGL-512 V400 msRAWEPI SEQUENCE EXTRACTED FROM EEGEPI SEQUENCEARTIFACTEXTRACTED00:01:3100:01:3200:01:3300:01:3420Fp1-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-512 V400 m

22、sEPIExtr.BallistocardiogramARTIFACTEXTRACTEDBALLISTOCARDIOGRAM EXTRACTION208800:01:3100:01:3200:01:3300:01:3488888888Fp1-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-VEOGR-VEOGL-128 V400 msEPI SEQUENCEARTIFACTEXTRACTEDEKGExtr.lThe initial encoding

23、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 methodology is unable to separate relatively fast versus slow encoding processes due to the slow time course

24、 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-200.0-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0V0.07.515.022.530.037.545.052.5MGFPGenerate Averaged Artifact(e.g. eyeb

25、link)Perform Spatial SVD Generate Correction LDRApply LDR as Spatial FilterTo Reduce ArtifactUC BERKELEYO2O1OZPZP4CP4P8C4TP8T8P7P3CP3CPZCZFC4FT8TP7C3FCZFZF4F8T7FT7FC3F3FP2F7FP1PO5PO3P1POZP2PO4CP2P6PO6CP6C6PO8PO7P5CP5CP1C1C2FC2FC6C5FC1F2F6FC5F1AF4AF8F5AF7AF3FPZ800 ms5 V+178.0 ms242.0 msLatency (ms)-2

26、00.0-100.00.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0Amplitude (V)0.02.55.0-2.5-5.0Boundary Element Model- Based on MNI* average MRI- 3-shell head model- Residual variance 6%- fMRI activation shown in whitefMRI activation shown in whiteERP离线分析的几个重要问题Basar 等（1984，1985） time-frequency analysis lBand Analysis Ev

27、okedtime-phase locked Inducedtime-, non-phase lockedlERD/ERS Event-related desynchronization Event-related synchronizationlCoherence Analysisl.- Picton, Alain, & McIntoshVEP-2DVEP-2DfrequencyfrequencyVEP-2DVEP-2DVEP-3DVEP-3D-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

28、.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

29、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Oddball-control中的偏差刺激，将刺激的感觉因素排除(THOMAS JACOBSEN and ERICH SCHRGER, 2001)(L. Zhao & J. L

30、i, 2006)Visual MMN-Expression MMN(L. Zhao & J. Li, 2006)(L. Zhao & J. Li, 2006)Oddball 1:5Control 1:1:1:1:1Is 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 exp

31、ression MMN?Is there pre-attentive 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，注意早期注意效应，注意早期听觉注意效应，注意早期听觉注意效应，注意早期朝向反应，信息非随机注意朝向反应，信息非随机注意整合、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

32、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）* *解脱波解脱波 情绪研究的重要指标情绪研究的重要指标Nogo N2/P3；ERN，error-related negativityConflict controlN270冲突加工Nogo反应抑制，(BW Zhang, et al. 2006)(Yeung, et al. 2004)Anterior cingulate cortexM. Falkenstein et al. : Biological P

33、sychology 51 (2000) 87107lThe error must be detected, the guilt or frustration must be acknowledged, and compensatory behavior must be initiated.lNe-notice errorslPe-cope with errors The Medial Frontal Cortex and the Rapid Processing of Monetary Gains and Losses. William J. Gehring, Adrian R. Willou

34、ghby. 2002FZThe medial-frontal negativity (MFN)MFNWilliam J. Gehring, Adrian R. Willoughby. 2002lWordlSentencelContextlLearninglSemanticlSyntaxlVisual and auditory modalityllMirror effect of Chinese word perception 反应时和正确率比较(Y. Zheng, et al. submitted)ms-2001000uV 15-15CPZ-200400uV5-12.5CB1msNormalM

35、irrorMirror effectN4(Y. Zheng, et al. submitted)l PMN (phonological mismatch negativity) (Connolly, et al, 1990, 1992, 1994) A negative-going response preceding the N400 in auditory modality is peaked between 270 and 300 ms after the onset of the terminal word Reflecting acoustic-phonetic processing

36、 of the initial segment of the word (e.g, the sentence-final word), possibly the initial phonemeConnolly & Phillips, 1994 - Investigating the independence of PMN from N400 under 4 conditions4 conditions:Phoneme mismatch - Semantic mismatch (PMM-SMM): Joan fed her baby some worm nose (milk) -PMN

37、& N400Phoneme mismatch - Semantic match (PMM-SM): They left the dirty dishes in the kitchen (sink) -PMNPhoneme match - Semantic mismatch (PM-SMM): Phi put some drops in his icicles (eyes) -N400 Phoneme match - Semantic match (PM-SM): At night the old woman locked the door( The highest Cloze prob

38、ability terminal word )Connolly & Phillips, 1994Neither the PMN nor the N400 was found in the PM-SM conditionOnly an N400 was observed in the PM-SMM conditionOnly a PMN was seen in the PMM-SM conditionThe N400 and the PMN were elicited in PMM-SMM conditionA delayed N400 occurred to semantic viol

39、ation in the PM-SMM condition as compared with in the PMM-SMM conditionConnolly & Phillips, 1994PMM-SMM was as the baseline from which the PM-SMM and PMM-SM conditions were subtractedIn the PMM-SMM condition, the two components, PMN and N400, were elicited and clarified clearly.Context has an early effect, that is, PMN effect, on spoken-word recognitionThe 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 c