事件相关电位(ERPs)研究生上课

1、事件相关电位(ERPs)技术及应用曲琛2022-3-22华南师范大学 曲琛脑电研究的优势？2022-3-22华南师范大学 曲琛（一）无创性。（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，（二）时间分辨率高：认知可分为认知过程和认知状态，过程指的过程指的就是时间过程。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（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）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。激到反应的全部认知的结果，不能区分认知

2、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。影响的是认知加工是哪个阶段或哪些阶段。（三）（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，有的科学家将词的实时加工。鉴于此，有的科学家将ERP称为称为“二十一世纪的反二十一世纪的反应时应时”（Luk，2005）。）。（四）具有脑自动加工的指标。例如（四）具有脑自动加工的指标。例如MMN。为人类非意识加工、潜。为人类非意识加工、潜意识行为

3、、无意识状态、内隐认知这类重要却难以研究的脑的自动意识行为、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。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（五）空间分辨率128导约为导约为3mm，达到了现代水平。，达到了现代水平。（六）设备相对简单，对环境的要求不高。（六）设备相对简单，对环境的要求不高。2022-3-22华南师范大学 曲琛ERP提高空间分辨率较低提高空间分辨率较低（一）颅骨不匀且有个体差异。（一）颅骨不匀且有个体差异。（二）容积导体效应。（二）容积导体效应。（三）电场封闭，例如，（三）电场封闭，例如，ERPERP主要

4、来自皮质第主要来自皮质第3 3、5 5层，不全面层，不全面，不正确。，不正确。2022-3-22华南师范大学 曲琛一、自发电位一、自发电位EEG与事件相关电位与事件相关电位ERPElectroencephalography, Event Related-PotentialsElectroencephalography, Event Related-PotentialsEEG：不断发生：不断发生/自发；自发；ERP：诱发才有。：诱发才有。EEG含有心理与生理信息，但非为波形本身。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，但淹没在是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观

5、察不到中，通常观察不到，需提取。，需提取。2022-3-22华南师范大学 曲琛二、二、ERP的基本概念的基本概念（一）名词来源（一）名词来源原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对“自发电位自发电位”而言而言。Evoked（Brain）Potentials = EP由于由于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，故改为素，故改为“事件相关（脑）电位事件相关（脑）电位”（1969，Herb Vauhan）。Event-Related（Brain）Potentials = ERPs平均诱发电

6、位。强调经过计算机平均。平均诱发电位。强调经过计算机平均。Average Evoked Potentials2022-3-22华南师范大学 曲琛（1）诱发电位（）诱发电位（EP）的广义定义：凡是外加一种特定的刺激作）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。的电位变化。（2）诱发电位（）诱发电位（EP）的狭义定义：凡是外加一种特定的刺激，）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，在作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺

7、激时，在脑区所引起的电位变化。脑区所引起的电位变化。（3）事件相关电位（）事件相关电位（ERP）的定义：当外加一种特定的刺激，作）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当某种心理因素出现/变化时在脑区所产生的电位变化。变化时在脑区所产生的电位变化。 需要注意撤反应。需要注意撤反应。（二）（二）ERP的定义的定义2022-3-22华南师范大学 曲琛三、三、EEG对对ERP的淹没与叠加基本原理的淹没与叠加基本原理（一）特性：（一）特性： 1淹没，约淹没，约2微伏微伏 10微伏

8、。微伏。 2 两个恒定：潜伏期、波形。两个恒定：潜伏期、波形。（二）（二）EEG对对ERP的淹没与叠加基本原理的淹没与叠加基本原理2022-3-22华南师范大学 曲琛2022-3-22华南师范大学 曲琛2022-3-22华南师范大学 曲琛l信噪比的提高值与叠加次数信噪比的提高值与叠加次数: 。 例：例：原信号原信号2微伏微伏 / 噪音噪音10微伏微伏 = 0.2，叠加，叠加100次后次后 （2微伏微伏100）/（10微伏微伏 ）= 200微伏微伏 / 100微伏微伏 = 2 /S Nnnn1002022-3-22华南师范大学 曲琛EEG and Evoked PotentialsEEG Evo

9、ked Potentials2022-3-22华南师范大学 曲琛1313实验前的记录设置（setup文件）2022-3-22华南师范大学 曲琛2022-3-22华南师范大学 曲琛（一）增益（一）增益(Gain, 放大倍数放大倍数Amplification): （1）一般取）一般取 10 5 。 （2）含）含Head Box 150倍。倍。 （3）VEOG与与HEOG应减小。应减小。 （4）分贝与放大倍数的关系：）分贝与放大倍数的关系：1dB = 20 log A， log A = dB/20 例如，例如，A=10000，则可表示为，则可表示为80dB。 120dB，则，则 log A = 12

10、0/20 = 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。）易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚至成为直线。2022-3-22华南师范大学 曲琛 普通（单边）放大电路普通（单边）放大电路 差动式（双边）放大电路差动式（双边）放大电路（二）共模抑制比（二）共模抑制比（辨差比，（辨差比，Common model rejection ratio, CMRR） 减少减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。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。：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。：同相信号

11、放大倍数。 Ac 1 。 例如，例如， Ad=50000， Ac=1/20，则，则CMRR = 106 = 120 dB。2022-3-22华南师范大学 曲琛（三）通过模拟滤波（设定频带宽度）（三）通过模拟滤波（设定频带宽度） 减少噪音与干扰减少噪音与干扰(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。放大，对超过者不放大；该范围表示为频响曲线。频带宽度：频带宽度：- 3dB（ ，约，约0.7）倍）倍Ad 时，高低频响间的频时，高低频响间的频带宽度。范围的两端皆可调。带宽度。范围的两端皆可调。

12、频率响应曲线1/ 22022-3-22华南师范大学 曲琛(2)低端频响低端频响F FL L：级间为阻容耦合，前级输出电压级间为阻容耦合，前级输出电压E E一定。容抗一定。容抗Xc = 1/ /C，频率，频率越低，容抗越大，落在电容上的电压越低，容抗越大，落在电容上的电压Ec 越大，落在电阻上的越大，落在电阻上的后级输入电压后级输入电压ER越小，高频相反。所以只限制低频，故称高通越小，高频相反。所以只限制低频，故称高通(high-(high-pass)pass)。调节调节电容电容C C可调节频响低端。例如可调节频响低端。例如将电容将电容C调大，则容抗变小，调大，则容抗变小，更更低频率的低频率的信

13、号落在电容上的电压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变小，落在电阻上的后级输入电压ER增大，增大，以此拓宽了低端。以此拓宽了低端。时间常数（时间常数（time constant, TC time constant, TC ）= 阻容乘积阻容乘积 = 1/ 1/（2F2FL L），是低端频），是低端频响之表达。响之表达。2022-3-22华南师范大学 曲琛(3)高端频响高端频响 F Fh h ：在输出端并联电容在输出端并联电容C。频率越高越短路掉，只限制高。频率越高越短路掉，只限制高频，故称故低通频，故称故低通(low-pass)(low-pass)。调节电容调节电容C可调节

14、频响高端。例如将电容可调节频响高端。例如将电容C调小，使较高频率的容抗增大调小，使较高频率的容抗增大，不致短路掉，以此拓宽了高端。，不致短路掉，以此拓宽了高端。(4)设定频带宽度，设定频带宽度，使其仅够放大拟研究的使其仅够放大拟研究的ERPERP信号，则落在频带外的信号，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。噪音与干扰信号不被放大，达到排除噪音与干扰信号目的。频带宽频带宽度的设定数值将直接影响度的设定数值将直接影响ERPERP波形是否失真，至关重要。波形是否失真，至关重要。 2022-3-22华南师范大学 曲琛时间常数对波形的影响时间常数对波形的影响若TC = 10

15、，则 FL = 1 / / 2TC = 1/62.8 = 0.0159 HzTC = 1/62.8 = 0.0159 Hz若TC = 1，则 FL = 1 / / 2TC = 1/6.28 = 0.159 HzTC = 1/6.28 = 0.159 Hz若FL = 0.01 Hz Hz，则 TC = 1 / / 2FL = 1/0.0628 = 15.9 = 1/0.0628 = 15.9若FL = 0.05 Hz Hz，则 TC = 1 / / 2FL = 1/0.314 = 3.18 = 1/0.314 = 3.18若FL = 0.1 Hz Hz，则 TC = 1 / / 2FL = 1/

16、0.628 = 1.59 = 1/0.628 = 1.59ERPERP晚成分一般应取晚成分一般应取 FL = 0.01 Hz Hz，最多取，最多取0.050.05，见上图。，见上图。2022-3-22华南师范大学 曲琛易犯的错误：易犯的错误： off-line 进行不必要的数字滤波。进行不必要的数字滤波。 on-line 进行不必要的陷波进行不必要的陷波(Notch)。 模拟滤波模拟滤波低端不够低。低端不够低。（四）（四）数字滤波数字滤波(digital filter) ：一般不用。用于陷波去：一般不用。用于陷波去50周干扰周干扰，或只留慢波等特殊情况。，或只留慢波等特殊情况。2022-3-2

17、2华南师范大学 曲琛（五）（五）A/DA/D转换精度（转换精度（amplitude resolution, AR）ERP的波幅分辨率的波幅分辨率。举例说明。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. 即非靶非靶P300。(Duncan

18、-Johnson, et al., 1977)2022-3-22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的潜伏期随任务难度的增加而增加3项实验，各含项实验，各含2种刺激，以大种刺激，以大 小不同概率出现。小不同概率出现。实验实验1实线：判断具体名字是否实线：判断具体名字是否 相同。相同。实验实验2虚线：判断名字性别。虚线：判断名字性别。实验实验3断线：判断是否为断线：判断是否为“刺刺”的同义词。的同义词。扎、挑扎、挑2022-3-22华南师范大学 曲琛（四）识别电位（四）识别电位RP （Recognition potential ）（1）1990年年 Rudell A.P

19、. 发现。由可识别（发现。由可识别（=可辨认，知道是什么）的视觉可辨认，知道是什么）的视觉刺激诱发的刺激诱发的200-300ms的负电位。视觉刺激的可辨认是诱发的负电位。视觉刺激的可辨认是诱发RP的必要条件。的必要条件。（2）RP出现的条件出现的条件 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以是字词、图画或漫画字词、图画或漫画等。等。图的左列（图的左列（1 1、3 3）为可辨认的词

20、。）为可辨认的词。它们诱发的它们诱发的ERPERP绘于其右列第绘于其右列第1 1行。行。中列（中列（2 2、4 4）为不可辨认的物理参）为不可辨认的物理参量相同的乱码或非字。它们诱发的量相同的乱码或非字。它们诱发的ERPERP绘于其右列第绘于其右列第2 2行。第行。第3 3行（行（A A、B B）为差异波。短竖线为为差异波。短竖线为250ms250ms处。处。实验结果表明，无论字词单个呈现实验结果表明，无论字词单个呈现还是多个同时呈现皆诱发出还是多个同时呈现皆诱发出RP,RP,而而被被试不可辨认的视觉刺激不诱发试不可辨认的视觉刺激不诱发RP。2022-3-22华南师范大学 曲琛该图绘制格式与上

21、图相同。与上图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区别只是可辨认的词与不可辨认的对照物混合呈现（的对照物混合呈现（1、3），），2、4则全部为不可辨认的对照物。则全部为不可辨认的对照物。实验结果表明，无论字词是手写体实验结果表明，无论字词是手写体（group）还是印刷体，或者可辨）还是印刷体，或者可辨认的词与不可辨认的对照物混合呈认的词与不可辨认的对照物混合呈现，皆诱发出现，皆诱发出RP，而被试不可辨认，而被试不可辨认的视觉刺激不诱发的视觉刺激不诱发RP。在这些实验中可辨认的刺激不一定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。是靶，但它是被试注意的对象

22、。（3）诱发）诱发RP的实验范式的实验范式 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，都会在被识别，都会在500ms内诱发出一系列波幅较高的内诱发出一系列波幅较高的VEP晚成分。其中的晚成分。其中的RP在在250ms 左右出现，波幅较小，与左右出现，波幅较小，与VEP晚成分重叠在一起，实际上是被晚成分重叠在一起，实际上是被 VEP晚晚成分掩盖而不能看出全貌。可采用两种方法减弱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晚成分而分离出较清晰的的RP (Rudell 等等, 1991,

23、 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2022-3-22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952022-3-22华南师范大学 曲琛一、经典范式-OddballOddball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

24、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。 962022-3-22华南师范大学 曲琛97Oddball范式示意图2022-3-22华南师范大学 曲琛98Oddball范式P3a和P3b2022-3-22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992022-3-22华南师范大学 曲琛(Krmer et al., 2010; Falkenstein et al., 1999)Nogo-N2

25、 & Nogo-P3Go-P31002022-3-22华南师范大学 曲琛101二、注意: Cue-target2022-3-22华南师范大学 曲琛102+有效提示 无效提示 中性提示注视点提示靶注意研究常用范式：提示-靶刺激任务2022-3-22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）2022-3-22华南师范大学 曲琛ERP研究举例Hopfinger & Mangun (1998)1042022-3-22华南师范大学 曲琛105ERP研究举例2022-3-22华南师范大学 曲琛10

26、6ERP研究举例2022-3-22华南师范大学 曲琛107绿绿红蓝黑紫红蓝黑绿紫自动加工与控制加工Stroop任务2022-3-22华南师范大学 曲琛(Loitti et al., 2000)1082022-3-22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

27、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2022-3-22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） 目标阶段目标阶段 延迟阶段延迟阶段 探测阶探测阶段段2022-3-22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） SWSW+400ms1800ms5000msresponseTarge

28、tDelayProbeOnset1112022-3-22华南师范大学 曲琛工作记忆的经典范式 N-back范式范式 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。1122022-3-22华南师范大学 曲琛113N-back的实验设计模式图2022-3-22华南师范大学 曲琛P3003-back0-back（Gevins AB, et al., 1996） 114 N-back 任务 刷新功能 P3002022-3-22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2022-3-22华南师范大学 曲琛l后继记忆效应（subsequent memory effects） 根据测试阶