ERP实验设计和数据分析

1、ERP实验设计和数据分析 李晓庆中国科学院心理研究所2011-07-01ERP实验设计计中的若若干问题题如何从ERP数据中得得出结论论ERP成分(component)与ERP波形(waveform)ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略刺激材料料数量和和呈现策策略数据分析析时的基基线问题题ERP数据分析析中的注注意事项项ERP叠加平均均的原理理、及伪伪迹用ICA排除伪迹迹ERP的PCA分析法及及适用范范围F.C. DondersCentre forCognitiveNeuroimagingERP实验设计计中的若若干问题题好数据是是无可替替代的好数据是是无可替替代的。相信伪伪迹提出出可以将

2、将坏数据据变成好好数据是是愚蠢的的。伪迹迹排除只只能偶尔尔去掉那那些偶尔尔发生的的含有伪伪迹的试试次，使使好数据据变得更更好。如如果被试试在对待待特定事事件进行行反应时时总是眨眨眼，或或者有连连续的高高振幅活动，伪伪迹排除除方法并并不能给给予补偿偿，也就就是说，那些具具有系统统噪声和和系统伪伪迹的数数据，并并不能通通过伪迹迹排除的的方法得得到更大大改善。(Hansen. J. C.,未发表的的软件文文档)ERP实验设计计中的若若干问题题(一)如何从ERP数据中得得出结论论1.不基于特特定ERP成分的推推论时间特点地形图（头皮分部）波幅时间认知加工过程的功能异同同一认知加工过程的参与程度(Li,

3、 Yang, Hagoort, 2008)ERP实验设计计中的若若干问题题例子，重读(合适vs.不合适)声调(合适vs.不合适) 现在正是是玫瑰盛盛开的季季节。明天小明明去买什什么把房房间装饰饰一下？ a明天小秦秦去买花装饰房间间（AB ）b明天小秦去买花装饰房间间 （AB ）c明天小秦秦去买画装饰房间间 （AB）d明天小秦去买画装饰房间间 （AB） 3 -3abcdLietal., 2008(d-a)=(c-a)+(b-a):线性相加加性说明accent和tone的语义加加工存在在一定的的对应之之处ERP实验设计计中的若若干问题题(一)如何从ERP数据中得得出结论论2.基于特定定ERP成分的

4、推推论ERP成分(Component):a partofwaveformwitha circumscribedscalpdistribution (alludingtotheunderlyingneuralconfiguration)and acircumscribedrelationshiptoexperimental variables(alludingtothe cognitivefunctionservedbythe activity of thisconfiguration)(Donchinetal.,1978).N400 :central-parietal;semanticinte

5、gration信息结构构如何影影响语义义加工的的深度(Wang et al.,2009)焦点(焦点vs.非焦点)语义合适适(合适vs.不合适)ERP实验设计计中的若若干问题题(二) ERP成分(component)与ERP波形(waveform)ERP波峰ERP成分不能从单单一的ERP波形估计计ERP成分的时时间过程程和峰潜潜伏期不要把实实验效应应与波形形的变化化进行简简单对应应波峰振幅幅的差异异成分大小小的差异异波峰潜伏伏期的差差异成分时程程的变化化ERP实验设计计中的若若干问题题(二) ERP成分(component)与ERP波形(waveform)聚焦于特特定的成成分使用已成成熟的实实验

6、操作作聚焦于大大的成分分用差异波波来分离离成分使用成分分独立的的实验设设计实验设计计减少ERP成分和ERP波形之间间的关系系不确定定性可数名词词,语义相关关(plate.cup)可数名词词,语义不相相关(sock.cup)不可数名名词,语义相关关(rain.water)不可数名名词,语义不相相关(garbage.water)(Vogel, Luck, Shapiro, 1998)有动物的照片无动物的照片150 ms(Thorpe, 1996)ERP实验设计计中的若若干问题题(三) ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略例子,实验目的的：刺激激可辨性性(discriminability)对

7、P3的影响材料：字字母表（10%“Q”;90%随即选择择的非“Q”;“Q”从不连续续出现）任务：字字母“Q”时按键条件:容易辨别别(亮条件) vs.难于辨别别(暗条件)无关变量量：刺激的物物理属性性：“Q”与非“Q”的形状不不同;与非“Q”相比, “Q”出现的频频率高被试的反反应方式式：对靶“Q”反应，而而对非靶靶不反应应(受与运动动有关的的ERP的污染)刺激的呈呈现方式式：“Q”从不连续续出现(P3后效只影影响非“Q”)刺激材料料的数量量：10%“Q”;90%非“Q”(峰振幅)刺激条件件的操作作：亮亮条件vs.暗条件-二次反应应(早期成分分；加工工难度差差异)ERP实验设计计中的若若干问题题

8、(三) ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略应对策略略：刺激的物物理属性性：使使用不同同的靶字母，在全体体被试间间进行平平衡；10个字母，1个为靶-每个字母母的出现现概率都都是10%被试的反反应方式式：对靶“Q”和非靶做做不同的的反应刺激的呈呈现方式式：分析数据据时，去去除有靶靶领先的的非靶刺刺激刺激材料料的数量量：平平均波幅幅代替峰峰波幅；随机选选择同等等数量的的非靶刺刺激刺激条件件的操作作：增增加控制制条件；亮刺激与与暗刺激激在同一一区组内内随机呈呈现；额外的数数据分析析(RTs快vs.RTs慢) ERP实验设计计中的若若干问题题(三) ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略

9、1.刺激的物物理属性性：不同实验验条件下下，尽量量使用物物理属性性相同的的刺激材材料；增加控制制实验例子，重读(合适vs.不合适)韵律边界界(合适vs.不合适) 他撞倒谁谁的车子子之后逃逃跑了？ 撞倒/肖明的车子（AB ）撞倒/肖明的车子（AB ）撞倒肖明的/车子（AB）撞倒肖明的/车子（AB）他撞倒谁谁的车子子之后逃逃跑了？ （AB）他撞倒肖肖明的什什么物品品之后逃逃跑了？（AB）警察把撞撞倒谁的的车子没没收了？ （AB）警察把撞撞倒肖明明的什么么物品没没收了？（AB） 撞倒/肖明的车子(Lietal.,2011)下划线:表示锁时时的关键键词;红色表示示重读的的位置;左侧:物理属性性不一样样

10、;右侧:物理属性性一样AudiovisualsituationStandard随后(红色)的方形出出现了(75%)Deviant1随后(红色)的方形出现了(12.5%)Deviant2随后(红色)的方形出出现了(12.5%)AuditorysituationStandard随后红色的方形出出现了Deviant随后红色的方形出现了(Lietal.,2009)(三) ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略1.刺激的物物理属性性：不同实验验条件下下，尽量量使用物物理属性性相同的的刺激材材料；增加控制制实验例子，重读语义义与视觉觉背景整整合的时时间特点点 下划线:表示锁时时的关键键词;红色表示示

11、重读的的位置;上:正式实验验;下:控制实验验重读与视视觉背景景一致重读与视视觉背景景不一致致重读与视视觉背景景不一致致ERP实验设计计中的若若干问题题(三) ERP实验设计计中的无无关变量量及应对对策略2.刺激材料料的重复复3.不同实验验条件下下，刺激激材料的的数量不不同4.不同实验验条件下下，被试试反应的的有无不不同；反反应的难难度不同同5.尽量在同同一区组组内变化化实验条条件；而不是在在不同区区组间变变化实验验条件ERP实验设计计中的若若干问题题(四)刺激材料料数量和和呈现策策略 1.刺激材料的数量 效应的大小(ERP成分; 实验条件操纵)； 数据的噪声水平 30-60 - large c

12、omponent (P3, N400) 150-200 - medium-sized component (N2) 400-800 - small component (P1) (Luck, 2004) 2.刺激材料的数量和信噪比 ERP实验设计计中的若若干问题题(四)刺激材料料数量和和呈现策策略3.刺激材料料-ERP成分重叠叠4.应对ERP成分重叠叠的策略略a运用ISIjitter(抖动)jitter的范围尽尽量宽；b不呈现刺刺激的小小概率事事件(Picton et al.,1974)c估计已采采集数据据的重叠叠从平均波波形中减减去估计计的重叠叠ADJAR(adjacentresponse)

13、(Woldorff, 1993)ERP实验设计计中的若若干问题题(五)数据分析析时的基基线问题题-实验设计计1.尽量使锁锁时点之之前的刺刺激材料料在不同同实验条条件中相相同(Li, Chen, andYang.,2011)2.选择恰当当的时间间段作为为基线，并在实实验设计计时使其其在不同实验验条件中中相同(Nan,Knsche,Friederici,2009) 3.利用差异异波（把把效应进进行比较较）(Lietal., minor revision)ERP实验设计计中的若若干问题题例子，重读(合适vs.不合适)韵律边界界(合适vs.不合适) 他撞倒谁谁的车子子之后逃逃跑了？撞倒/肖明的车子（A

14、B ）撞倒/肖明的车子（AB ）撞倒肖明的/车子（AB）撞倒肖明的/车子（AB）他撞倒谁谁的车子子之后逃逃跑了？ （AB）他撞倒肖肖明的什什么物品品之后逃逃跑了？（AB）警察把撞撞倒谁的的车子没没收了？ （AB）警察把撞撞倒肖明明的什么么物品没没收了？（AB）撞倒/肖明的车子(Li, Chen, andYang,2011)下划线:表示锁时时的关键键词;红色表示示重读的的位置;左侧:基线不一一样;右侧:基线一样样ERP实验设计计中的若若干问题题例，非音乐家家对音乐乐小结边边界的感感知，及及文化差差异对其其的影响响 Baseline:-2000 ms-800 - -300ms(Nan,Knsche

15、,Friederici,2009)ResearchdesignActivesentences (lowworkingmemoryload)high semantic relatedlowsemanticrelated萌萌把“新娘”浅色的的婚纱弄脏后感感到很抱抱歉。萌萌把“队长”浅色的的婚纱弄脏后感感到很抱抱歉。萌萌把“新娘”浅色的的婚纱弄脏后感感到很抱抱歉。萌萌把“队长”浅色的的婚纱弄脏后感感到很抱抱歉。Passive sentences(highworking memoryload)high semantic relatedlowsemanticrelated萌萌说“新娘”被弄脏脏浅色的的婚

16、纱后叹了口口气。萌萌说说“队长”被弄脏脏浅色的的婚纱后叹了口口气。萌萌说“新娘”被弄脏脏浅色的的婚纱后叹了口口气。萌萌说“队长”被弄脏脏浅色的的婚纱后叹了口口气。MemoryLoad(highvs.low)Accentuation(accentedvs. de-accented)SemanticRelatedness(highvs.low)(Lietal., minor revision)下划线:表示锁时时的关键键词;红色表示示重读的的位置;右侧减左左侧得到到差异波波ERP数据分析析中的注注意事项项（一）ERP叠加的平平均的原原理、及及伪迹1. ERP的平均的的原理信号噪声(backgroun

17、d EEG)伪迹ERP数据分析析中的注注意事项项（一）ERP叠加平均均的原理理、及伪伪迹2. EEG数据中的的伪迹眨眼眼动(阅读,视觉搜索索)波肌电 jaw,neck,and facemuscles squinting,eyebrowmovements smiling, laughter出声阅读读心电(e.g.,参考位于于血管上上)电极接触触不良剔除含有有伪迹的的刺激信噪比降降低矫正较好的信信噪比；剔出不正正确反而而更歪曲曲数据ERP数据分析析中的注注意事项项（一）ERP叠加平均均的原理理、及伪伪迹2. EEG数据中的的伪迹-波 10 Hz,100ms一个周期期，parietal-occipi

18、tal很难平均均掉：波波幅高与刺激材材料同步步影响数据据的解释释；特别别是始潜潜时的分分析控制策略略：ISIjitter，100msms-1001002003004005006007008009001000uV-6.06.0PZERP数据分析析中的注注意事项项（一）ERP叠加平均均的原理理、及伪伪迹2. EEG数据中的的伪迹-慢电位漂漂移皮肤电位位变化；电极接接触不良良剔除：计算EEG在所有trials上的斜率率，并将那些些斜率超超出一定定 阈值值的trial排除ERP数据分析析中的注注意事项项（一）ERP叠加平均均的原理理、及伪伪迹3. EEG数据中的的伪迹-眼动固定的电电压梯度度(正极指向

19、向眼球正正面)；眼动指向向的方面面，头皮皮电压变变得更正正剔除眼动动污染的的刺激优点：数数据更干干净缺点：信信噪比降降低；不可避免免会产生生眼动；有的眼动动难以侦侦查到；剔除方法法错误眼动矫正正回归分析析；偶极子定定位；ICAERP数据分析析中的注注意事项项3. EEG数据中的的伪迹-眼动ERP数据分析析中的注注意事项项（二）用用ICA排除伪迹迹(Jungetal., 2000, 2001) 数据据驱动data-driving利用数据据的相关关结构，线形方方法和非非线性方方法相结结合；N电极-N个独立的的成分与特定伪伪迹有关关的成分分具有独独特的特特点利用逆运运算(inversecomputa

20、tion)-减去有伪伪迹有关关的成分分眼动肌电波坏电极ERP数据分析析中的注注意事项项（二）用用ICA排除伪迹迹-具体程序序 （1）Neuroscan数据预处处理Ocularartifactreduction、re-Reference、filter、epoch、baselinecorrection、Artfact rejection（-75+75）、Deleterejectred sweeps用matlab打开eeglabfile-set path(包含eeglab程序序所在的的路径、eeg数据所所在的路路径)；直接在matlab中输入eeglab把.eeg数据据转换为为eeglab的数据据(

21、.set)file-import-from Neuroscan.eegfilefile-save currentdatasetas(保存为为.set数据据)ERP数据分析析中的注注意事项项（二）用用ICA排除伪迹迹-具体程序序（2）RunICAfile-load existing datasetedit-channel location (一一路点击击ok)tools-run ICAfile-save currentdatasetas(保存包包含ica信息息的数据据)用ICA去伪迹tools-reject datausingICA-rejectcomponent by mapstools-ro

22、move compomentsfile-save currentdatasetas(保存包含含去除伪伪迹后的的数据)把.set数据转换换为Neuroscan能读取的的.avg数据1.files-export-Data andICAactivitytotextfiles对话窗的的以下处处划勾ExportERP averageinsteadoftrialsTransposematrix (ele-rows)Exportchannellabes/componentnumbersExporttimevalues2.把导出的的数据转转换为.xls数据-去除第一一行（电电极点名名称）和和第一列列（时间间点

23、名称称）；把.xls数据转换换为.dat数据把.dat数据转换换为.avg数据.dat数据的打打开方式式选择Neuroscanchannel62(电极数)acquisitionrate500(采样率)X Mimum-100（epoch时的时间间最小值值）point551（采样点点数）（二）用用ICA排除伪迹迹-具体程序序（3）ERP数据分析析中的注注意事项项（三）ERP的PCA分析法及及适用范范围-具体程序序 数据据驱动data-driving利用数据据的相关关结构M个连续变变量-N个成分，NM很很难从从ERP波形中确确定每个个ERP成分的代代表性时时间窗口口(Lietal.,2010)例子，重读(合适vs.不合适)韵律边界界(合适vs.不合适)(Lietal.,2011) ERP数据分析析中的注注意事项项（三）ERP的PCA分析法及及适用范范围-基本原理理.avg数据的预预处理打开.avg文件，然然后另存存为.dat文件；把.dat文件的扩扩展名改改为.xls文件，删删除基线线上的数数据、及及电极名名称；把.xls文件的扩扩展名改改为.txt文件ERP数据分析析中的注注意事项项（三）ERP的PCA分析法及及适用范范围-基