1、ERPERP的根本原理及其在认知神经科学的根本原理及其在认知神经科学中的应用中的应用 The Basic Principles and The Basic Principles and Application in Neurosciences of Application in Neurosciences of ERPERP 魏景汉魏景汉 JingJing-han Weihan Wei Weijhpsych.ac Weijhpsych.ac 中国科学院心理研究所中国科学院心理研究所 Institute of Psychology,Institute of Psychology,Academia
2、 SinicaAcademia Sinica 一、一、ERP的根本原理的根本原理 EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身，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中中，通常观察不到，需提取。，通常观察不到，需提取。1、名词来源、名词来源 原称：诱发原称：诱发脑脑电位，强调刺激引起，针对电位，强调刺激引起，针对“自发自发电位电位而言。而言。EvokedBrainPotentials=EP 由于认知由于认知EP不仅外界刺激感觉所致，尚来自主动的自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，故改为上而
3、下的心理因素，故改为“事件相关事件相关脑脑电位电位1969，Herb Vauhan。Event-RelatedBrainPotentials=ERPs 平均诱发电位。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 Potentials 1诱发电位诱发电位EP的广义定义：但凡外加一种特定的刺激作的广义定义：但凡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：但凡外加一种特定的刺激，的狭义定义：但凡外加一种特定的刺激，作用
4、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，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，或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，或/和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。需要注意撤反响。需要注意撤反响。2、ERP的定义的定义 3、特性：、特性：1淹没，约淹没，约2微伏微伏 10微伏。微伏。2两个恒定：潜伏期、波形。两个
5、恒定：潜伏期、波形。4、简史：、简史：1935-1936 Pauline and Hallowell Davis首先在清醒人记录到首先在清醒人记录到感觉感觉ERP。1939 Davis等首次发表等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，论文，单次刺激诱发，EEG平静平静时记录。时记录。1947 Dawson 首次报道用照相叠加技术记录人体首次报道用照相叠加技术记录人体EP。1951 Dawson 首次创造机械驱动首次创造机械驱动-电子存储式电子存储式EP叠加与平均叠加与平均方法方法张明岛等，张明岛等，1995，开创了神经电生理学的新时代，开创了神经电生理学的新时代。1962 Galambos and
6、 Sheatz首次发表计算机平均叠加首次发表计算机平均叠加ERP论论文。文。1964 Grey Walter等发表第一个认知等发表第一个认知ERP成分成分CNV，标，标志着志着ERP研究新时代的开始。研究新时代的开始。5、EEG对对ERP的淹没与的淹没与叠加根本原理叠加根本原理 计算机不设置负值，只有正值，波的低谷也为正值，故噪计算机不设置负值，只有正值，波的低谷也为正值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。声叠加也增大，而不是互相抵消。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100/1
7、0微伏微伏 =200微伏微伏/100微微伏伏 =2 /SN n nn1 0 06 6、A/DA/D转换速度转换速度采样速度采样速度ERPERP的时间分辨率的时间分辨率 ERPERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动的测量，而不是像自身活动的测量，而不是像PETPET、fMRIfMRI、光成像那样只、光成像那样只是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的开展是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的开展使采样率大为提高，也为使采样率大为提高，也为ERPERP的高时间分辨率提供了保的高时间分辨率提供了保障。目前障。目前ERPERP的时间分辨率在
8、理论上已可到达微秒级。的时间分辨率在理论上已可到达微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在实际上，在记录早成分时，由于它在10ms10ms内有七内有七、八个波，记录由、八个波，记录由256256点以上组成，因此点间距即时间点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于分辨率小于4040 s s。一般的。一般的ERPERP仪器采样频率也大于仪器采样频率也大于2000Hz/2000Hz/导，即时间分辨率导，即时间分辨率0.5ms0.5ms。总采样频率。总采样频率=频频率率/导导x x 导数。减少导数那么时间分辨率相应提高。导数。减少导数那么时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原那么是，组成设置时间分辨
9、率的一般原那么是，组成EpochEpoch的点数应的点数应等于或大于等于或大于128128点。点。7、ERP的研究分类的研究分类 1按感觉通路：按感觉通路：AEP、VEP、SEP 2按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。a 3命名法：正命名法：正P负负N潜伏期。如潜伏期。如P300,N400,N170。4向上为负。向上为负。5成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。8、ERP的优势的优势:1无创性、时间分辨率高无创性、
10、时间分辨率高 便于与便于与RT 配合进行配合进行认知过程研究、空间分辨率认知过程研究、空间分辨率128导约为导约为3mm，到，到达了现代水平。是心理学工作者进行认知神经科达了现代水平。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。学研究的最得力的方法。2认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。是时间过程。3设备相对简单，对环境的要求不高。设备相对简单，对环境的要求不高。9、阻碍阻碍ERP提高空间分辨率的原因：提高空间分辨率的原因：1颅骨不匀且有个体差异颅骨不匀且有个体差异 2容积导体效应容积导体效应 3电场封闭电场封闭主要来自锥体细胞层，
11、失主要来自锥体细胞层，失真：该层真：该层ERP大，其他层小大，其他层小 1966:177 1967-68:1501 1969-70:1971 1971-72:2063 1973-74:2216 1975-76:2538 1977-78:2624 1979-80:3445 1981-82:4208 1983-84:4416 1985-86:4538 1987-88:4610 1989-90:4804 1991-92:5479 1993-94:5386 1995-96:5461 1997-98:5888 1999-00:6205 2001-02:6299 2003-04:6996 10、ERP的开
12、展趋势的开展趋势 二、二、ERP在认知神经科学中的应用在认知神经科学中的应用 1、ERP的学术位置的学术位置 属于心理生理学属于心理生理学psychophysiology范畴。范畴。心理生理学以心理因素为自变量，以生理指标为应变量，心理生理学以心理因素为自变量，以生理指标为应变量，一般以人为被试。一般以人为被试。生理心理学生理心理学physiological psychology以生理变化为自以生理变化为自变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试。变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试。心理生理学是从生理心理学中别离出来的。同属认知神经心理生理学是从生理心理学中别离出来的。同属认知神经科
13、学。科学。认知神经科学是在近十余年才兴起的一门交叉学科，是脑认知神经科学是在近十余年才兴起的一门交叉学科，是脑科学界颇受关注的领域，是心理学的新时代，科学界颇受关注的领域，是心理学的新时代，ERP是是其中的重要组成局部。其中的重要组成局部。个性心理特征 心理学 情绪 意志 心理过程 认知心理学 心理语言学 认知科学 人工智能 人工神经网络 神经脑科学 生理学 .认知神经科学的学科位置 二、认知神经科学方法之比较二、认知神经科学方法之比较 三、作用举例三、作用举例 一一关于注意选择性发生时程的关于注意选择性发生时程的ERP证据证据 1、两耳纯音各一不同。快速、两耳纯音各一不同。快速约约6次次/秒
14、秒随机呈现。随机呈现。2、两项实验，每项只记一只耳的纯音、两项实验，每项只记一只耳的纯音数。数。3、图、图1、2 的早成分不受注意影响。的早成分不受注意影响。4、图、图3、4 的中成分的中成分涂黑涂黑受注意影受注意影响。响。5、图、图5为差异波为差异波P20-50 涂黑涂黑，相，相当早。当早。6、ERP与与MEG脑磁图脑磁图联合记录联合记录结果发现结果发现P25-50发生在听皮质，很发生在听皮质，很可能在初级听皮质。可能在初级听皮质。7、结论：注意选择性发生在听觉加工、结论：注意选择性发生在听觉加工的早期阶段。的早期阶段。1 1、实验方法、实验方法 实验采用的刺激呈现模式可图示如下实验采用的刺
15、激呈现模式可图示如下,其中数字单位为其中数字单位为ms:ms:纯音纯音 -提示字提示字 -目标字目标字 -被试述词被试述词 -下次纯下次纯音音 .220 1210 200 1300 200 4400220 1210 200 1300 200 4400 头皮记录头皮记录 FzFz、CzCz、PzPz、左脑、左脑P3P3-T5 T5 及右脑及右脑P4P4-T6 T6 共五点之共五点之ERP.ERP.每名被试皆接受二项实验每名被试皆接受二项实验.1 1具体字联想实验。主要目的：突出目标字义的加工，减弱具体字联想实验。主要目的：突出目标字义的加工，减弱形音加工。形音加工。纯音预告汉字即将出现纯音预告汉
16、字即将出现,引起注意引起注意.提示字皆认识字提示字皆认识字,要识记其发音与字形要识记其发音与字形.目标字与提示字音同形似目标字与提示字音同形似,如如,提示字“丁提示字“丁,目标字“钉目标字“钉;“;“防防 房房.目标字分为认识与不认识目标字分为认识与不认识.对认识的目标字要根据其义联想出另一个字对认识的目标字要根据其义联想出另一个字,组成双字词并组成双字词并口头报告口头报告.对不认识的字根据提示字音、形尽量猜测其义对不认识的字根据提示字音、形尽量猜测其义,仍不认识仍不认识,述述 不认识不认识.二二语言加工的脑机制语言加工的脑机制 半视野汉字研究半视野汉字研究Wei,et al.,NeuroReport,Wei,et al.,NeuroReport,20012001 2非提示对照实验非提示对照实验:提示提示字为无关字字为无关字,即与目标字形音义皆异即与目标字形音义皆异,目标字联想前缺少音与目标字联想前缺少音与形的予加工形的予加工,余同具体字联想实验余同具体字联想实验.2、主要实验结果与讨论、主要实验结果与讨论:1汉字认知的起始时程汉字认知的起始时程 具体字联想实验具体字联想实验 图为左视