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ERP 学习资料. 北京飞宇星电子科技有限公司. 内容结构. 一、 ERP 原理及提取技术 二、主要 ERP 成分及经典研究 三、实验流程 四、波形的识别与结果解释. 一、 ERP 原理及提取技术.  活的人脑总会不断放电,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。. 1.1 开放电场.

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ERP 学习资料

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Presentation Transcript


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ERP学习资料

北京飞宇星电子科技有限公司


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内容结构

  • 一、ERP原理及提取技术

  • 二、主要ERP成分及经典研究

  • 三、实验流程

  • 四、波形的识别与结果解释


Erp

一、ERP原理及提取技术

  •  活的人脑总会不断放电,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。


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1.1 开放电场

  • 脑电(EEG)是由于皮质大量神经组织的突触后电位同步总和而成,而单个神经元电活动非常微小,不能在头皮记录到,只有神经元群的同步放电才能记录到。

  • 这种脑组织神经元排列方向一致的情况,构成所谓的开放电场(open field),反之则是方向不一致相互抵消的封闭电场(closed field)。


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开放电场与封闭电场图示


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  •  因此,ERP只能反映某些脑部的激活情况,而有些脑部即使处于激活状态,但由于其神经元没有能够形成开放电场,ERP上也是反映不出来的。


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影响ERP信号记录的其它因素

  •  除神经元的排列方式外,记录点与神经元活动的距离也会影响ERP信号的采集。这样就区分出了近场源与远场源,初级体感诱发电位位于中央后回,是典型的近场源,而脑干听觉诱发电位是典型的远场源。离头皮越远则电位衰减越厉害,记录到的脑电波幅也很小。


1 2 erp

1.2 ERP的两个重要特征

  • 事件相关脑电有两个重要特性:潜伏期恒定、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)。


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1.3 叠加技术

  • 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ERP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,当叠加到一定次数时,ERP信号就显现出来了。


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ERP分段叠加显示图


1 4 erp

1.4 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,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。

  •  因此,对于ERP研究来说,为了提取事件相关脑电位变化,传统上不得不进行多次重复刺激(次数记为n)。现在,可以通过计算机叠加技术轻松实现上述过程。


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1.5头部定位系统

  • ERP记录装置是一个电极帽,上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极,这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制定的10-20系统(Jesper, 1958)确定的。

  • 每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况,掌握10-20系统是进行ERP学术交流的条件之一。


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  • 10-20系统的原则是头皮电极点之间的相对距离以10%与20%来确定,并采用两条件标志线。

  • 一条称为矢状线,是从鼻根到枕外隆凸的连线,从前向后标出5个点:Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz,Fpz之前与Oz之后线段长度占全长10%,其余各点间距离均占全长的20%。


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(四)导联方法

Pg2

Pg1

Fpz

Fp1

Fp2

F7

F8

F3

Fz

F4

矢状线

冠状线

A1

A2

C3

Cz

T3

C4

T4

C5

C6

Pz

P3

P4

T5

T6

Cb1

Cb2

O2

O1

Oz

国际10—20脑电记录系统


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  • 另一条称为冠状线,是两外耳道之间的连线,从左到右也标出5个点:T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外侧各占10%,其余各点间距离均占全长20%。

  • 注意,Cz点是两条线的交汇点,常作为确定电极帽是否戴正的基准点。


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二、主要ERP成分及经典研究

  • ERP的先驱研究者经过四十多年的积累,发现了一些经典的ERP成分,在发现这些成分时所使用的一些研究方法对于后来者有启发。

  •  其中与心理学研究密切相关的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。


2 1 p300 oddball

2.1P300及Oddball范式

  • P300是Sutton于1965年发现,发表在当年的Science(150,1187-1188)上。

  •  按照ERP的成分划分方法,根据潜伏期的差异,10ms内为早成分,10-50ms为中成分,50-500ms为晚成分,500ms以后则称为慢波。P300显然属于晚成分。


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Sutton等首先报告P300 ( Science , 1965 )


Oddball

Oddball范式

  •  在发现P300时使用了一个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要点是,对同一感觉通道施加两种刺激,一种刺激出现概率很大,如85%,另一种刺激出现的概率很小,如15%。

  • 两种刺激以随机顺序出现,这样,对于被试来说,小概率刺激的出现具有偶然性,因为它很少才出现一次,感觉有点怪(Odd)。但实验任务却要求被试关注小概率刺激,只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。可见这里的靶刺激是小概率刺激。


Oddball1

Oddball范式示意图


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  •  在这种条件下,实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波,称为P300,这个波在Pz点附近最高。研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关,其潜伏期随任务难度增加而变长。


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P300与任务难度

P300潜伏期随任务难度的增加而延长

实线:具体人名

虚线:人名性别

断线:出现的词中挑出“刺”的反义词


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三、实验流程

  •  实验程序采用Eprime软件编制。

  •  基本实验流程包括实时(on-line)刺激呈现、头皮脑电放大、模数转换(数据采集)以及实验结束后离线式(off-line)数据分析。


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3.1 ERP实验流程


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基本参数设置一般包括:采样率、导联数、AC\DC模式的选择、低通和高通的设置、去除50周干扰的选择、采样精度等。

3.2 参数设置


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3.3 伪迹识别

肌电伪迹(Muscle)

50周波(50 Cycle)

眼电(Eye Movement)伪迹

血管(Vascular)

出汗(Sweating)

电极故障(Electrole pop)

电极移动(Electrole Movement)

其他:导线断裂、附近设备造成的突然电压冲击、 脑电仪器的故障、与呼吸有关的运动、哭泣、吸吮、颤抖或吞咽等。

伪迹

(Artifacts)

脑电描记中不起源于脑部的电活动干扰。


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肌电伪迹

这种类型的干扰可表现 “尖头脉冲” ,通常因持续时间非常短暂而被识别。肌电伪迹常表现为连续性的各种频率的尖头脉冲。

头皮下肌肉收缩形成的伪迹

放大之后的肌电伪迹


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50周干扰伪迹

高电阻引起。高电阻是因为头皮上未被清除的油脂、脏污或 死亡皮肤所引起。高电阻可以检出任何种类的伪迹,而不仅仅是50周一种。

50周干扰

放大后的50周干扰


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眼电伪迹

眼睛好象一个充电的电池,其角膜表面一侧为阳性(十),视网膜一侧为阴性(-)。这个电池有很大的电压,因此眼球运动时,就会在脑电图上产生明显的偏转。

垂直眼电

水平眼电


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电极故障

一般都是阳性的尖头脉冲。

电极移动

任何电极在头皮上移动,甚至是轻微的移动引起 。

单个电极的移动

参考电极移动形成的伪迹


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心电伪迹

心电图可在身体的几乎任何部位检出,并可能扩展到头部,特别是在电极Al和A2。

脉搏引起

电极位于一个随心脏跳动而搏动的血管附近。


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出汗伪迹

引起非常缓慢的波动。


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慢电压漂移

慢电压漂移通常是由于皮肤电阻或电极电阻的变化而引起的。


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吞咽伪迹

吞咽伪迹

放大后的吞咽伪迹


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α波

α波主要分布于枕、顶区,在睁眼、感觉刺激、精神话动时有反应(衰减)。


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放大器饱和(阻塞)

缓慢电压漂移有时可能会引起放大器或ADC饱和,这导致EEG在一些时间段内变得平直。


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本体噪声

头皮EEG的电压波动非常微弱,在一般的实验室环境中,有很多电活动源的强度比EEG大得多,这些大电源会在被试、电极以及连接被试和放大器的电线上产生小的电压波动。这些感应电压随同EEG被一块放大之后是相当可观的。虽然有的感应电噪声可以通过滤波及其他后处理技术去除,但最好还是在源头上去除这些噪声。

环境干扰和本体噪声

本体噪声


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正常脑电

一段 正常的EEG数据,应该是基线比较平稳,没有大的漂移或者慢漂,没有其它的明显伪迹;有眼电伪迹,有标记点。


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常见的非正常脑电数据


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3.4 离线数据分析步骤

数据的离线处理的程序:

1.合并行为数据与脑电数据(merge task data) ;

2.减少眼电伪迹(Ocular artifact reduction) ;

3.对脑电分段(Epoch) ;

4.滤波(filter) ;

5.基线校正(baseline correct) ;

6.排除伪迹(artifact rejection) ;

7.平均(average) ;

8.保存(output file) ;

9.总平均(grand average) 。


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注意事项及常见问题

  •  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),其它注意事项及常见问题可登陆公司网站:

    www.fistar.com.cn


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四、波形的识别与测量

  •  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。


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-4.0

峰——峰

-2.0

基线——峰

-200

200

400

600

800 ms

2.0

4.0

潜伏期

6.0


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4.1 定性分析

  •  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。

  •  然后进行源定位分析,包括脑地形图、偶极子定位等。


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4.2 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)地形图、三维(立体)地形图和实际头形地形图。


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  •  根据图形的色彩或形式,可将地形图分为:2D地形图、3D地形图、2D电位分布图。


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