ERP高級培訓班講座

1、ERPs ERPs 實驗高級培訓實驗高級培訓趙 侖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 凡是外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)引起的電位變化。 * * 刺激缺失刺激缺失lEEGEEG對對ERPsERPs的淹沒的淹沒l疊加平均基本原理疊加平均基本原理 ERPs波形恒定 潛伏期恒定 疊加n次：信噪比提高n 倍 例如： ERPs=0.5EEG n=100 100ERP 10EEG ERPs=5EEG 潛伏期：早、中、晚成份，慢波 命名：正P，負N，潛伏期 成份：外源性成份、內(nèi)源性成份和純心理波 外源性 內(nèi)源性 P1、N1、P2 N2、P3復合波 MMN、CNV 受刺激的物理性質(zhì)的影響？E

3、RPsERPs成分成分 1、ERPs是一種特殊的誘發(fā)電位，屬于近場電位近場電位（near- field potentials - 記錄電極位置距活動的神經(jīng)結(jié)構(gòu)較 近）； 2、一般要求被試實驗時在一定程度上參與實驗； 3、刺激的性質(zhì)、內(nèi)容和編排多樣，目的是啟動被試認知過程的參與； 4、ERPs成分除受物理刺激特性影響的“外源性成分外源性成分”， 還包括“內(nèi)源性成分內(nèi)源性成分”，ERPs不像普通誘發(fā)電位記錄神經(jīng)系統(tǒng)對刺激本身產(chǎn)生的反應(yīng)，而是大腦對刺激 帶來的信息引起的反應(yīng)，反映的是認知過程中大腦的神經(jīng)電生理改變。聽覺聽覺BAEPMLRERP視覺EPERPP1/2N1Note：EP與ERP密切相關(guān)，

4、早期ERP成分與認知的關(guān)系要求我們對EP的基本特征要非常熟悉。舉例： 聽覺ERP P20-50注意效應(yīng) & 聽覺MLR 視覺ERP 早期注意效應(yīng)（P1） Face- N170-face detection paradigmOddballGo/Nogo跨通道研究模式跨通道研究模式運動知覺運動知覺記憶記憶語言語言特定認知實驗?zāi)Ｊ教囟ㄕJ知實驗?zāi)Ｊ椒翘囟ㄕJ知實驗?zāi)Ｊ椒翘囟ㄕJ知實驗?zāi)Ｊ叫乃阈乃氵B續(xù)心算連續(xù)心算選擇心算選擇心算簡單心算簡單心算Match-Mismatch，Prime-Probe 刺激消失產(chǎn)生的誘發(fā)電位。刺激消失產(chǎn)生的誘發(fā)電位。 實驗設(shè)計時，為不影響實驗設(shè)計時，為不影響ERPERP晚

5、成分的記錄，刺激的持續(xù)時間最好晚成分的記錄，刺激的持續(xù)時間最好短一些，在擬觀察的成分出現(xiàn)以前使刺激消失，或者延長刺激持續(xù)短一些，在擬觀察的成分出現(xiàn)以前使刺激消失，或者延長刺激持續(xù)時間，在擬觀察的晚成分出現(xiàn)后，再使刺激消失。時間，在擬觀察的晚成分出現(xiàn)后，再使刺激消失。 ERPERP記錄參考電極問題記錄參考電極問題 單極導聯(lián)的參考電極是各導放大器的一端共同連結(jié)的部位，各導的電位單極導聯(lián)的參考電極是各導放大器的一端共同連結(jié)的部位，各導的電位都是與它相減的結(jié)果。理想的參考電極點應(yīng)該是電位為零或電位恒定的部位都是與它相減的結(jié)果。理想的參考電極點應(yīng)該是電位為零或電位恒定的部位，但是人體是一個容積導體，生物

6、電無處不在，無時不變，這樣的部位是不，但是人體是一個容積導體，生物電無處不在，無時不變，這樣的部位是不存在的。在過去生物電研究的存在的。在過去生物電研究的100100年間，關(guān)于參考電極位置的爭論從來沒有年間，關(guān)于參考電極位置的爭論從來沒有停止過，是目前仍無結(jié)論的問題。參考電極的設(shè)置顯然對數(shù)據(jù)有明顯影響，停止過，是目前仍無結(jié)論的問題。參考電極的設(shè)置顯然對數(shù)據(jù)有明顯影響，因此這是一個重要的問題。這里僅簡單討論幾種目前常用的腦電參考電極設(shè)因此這是一個重要的問題。這里僅簡單討論幾種目前常用的腦電參考電極設(shè)置。置。（一）（一）：將雙耳乳突或耳垂連接作參考電極。由于乳突或耳垂的將雙耳乳突或耳垂連接作參考電

7、極。由于乳突或耳垂的腦電一般較小，將其連接所得的平均電位作參考不會造成腦的兩半球電位關(guān)腦電一般較小，將其連接所得的平均電位作參考不會造成腦的兩半球電位關(guān)系的失真，故已成為經(jīng)典的方法。缺點是不能測量乳突附近的腦電變化，如系的失真，故已成為經(jīng)典的方法。缺點是不能測量乳突附近的腦電變化，如MMNMMN。 方法革新演示單側(cè)參考后參考電極的轉(zhuǎn)換（二）（二）：將參考電極放在鼻尖。由于雙耳參考法不能觀察乳突：將參考電極放在鼻尖。由于雙耳參考法不能觀察乳突附近腦源的活動，而有的腦電如聽覺附近腦源的活動，而有的腦電如聽覺MMN的一個源恰在乳突附近，所以在的一個源恰在乳突附近，所以在研究源位于乳突附近的腦電活動時

8、，常常將參考電極放置在鼻尖。研究源位于乳突附近的腦電活動時，常常將參考電極放置在鼻尖。（三）（三）：在用普通參考電極記錄：在用普通參考電極記錄EEG后，求出全部記錄點的平后，求出全部記錄點的平均值，以各記錄值減去該平均值后的差值作為實際的腦電數(shù)據(jù)。其目的在均值，以各記錄值減去該平均值后的差值作為實際的腦電數(shù)據(jù)。其目的在于實現(xiàn)參考電極的電位恒定或為零。于實現(xiàn)參考電極的電位恒定或為零。 依據(jù)是，假設(shè)人腦和顱骨是均勻的圓球體，球體表面均勻放置足夠的依據(jù)是，假設(shè)人腦和顱骨是均勻的圓球體，球體表面均勻放置足夠的記錄電極，偶極子位于球心。記錄電極，偶極子位于球心。 該法的優(yōu)點是可以進行某些腦電求源的逆運算

9、。其缺點在于它是基于該法的優(yōu)點是可以進行某些腦電求源的逆運算。其缺點在于它是基于理想的頭顱條件和假設(shè)的偶極子計算出來的，與真實情況相差很大，因此理想的頭顱條件和假設(shè)的偶極子計算出來的，與真實情況相差很大，因此它所帶來的誤差是不容忽視的。它所帶來的誤差是不容忽視的。舉例： VPP N170兩個成分？兩個成分？(Eimer, 2005)l采樣率采樣率 250、500、1000Hz；10000Hz20000Hzl頻帶寬度頻帶寬度 低端頻響高通（High-pass） 高端頻響低通（Low-pass）l時間常數(shù)（時間常數(shù)（TCTC，time constanttime constant） TC1/（2 f

10、L） 時間常數(shù)的設(shè)定數(shù)值直接影響ERPs波形是否失真，至關(guān)重要。TC對ERPs波形的影響正常被試的研究要注意被試的性別、社正常被試的研究要注意被試的性別、社會背景、受教育情況等。另外，還要注會背景、受教育情況等。另外，還要注意利手問題，尤其在需要被試進行按鍵意利手問題，尤其在需要被試進行按鍵或撥開關(guān)的作業(yè)任務(wù)中?；驌荛_關(guān)的作業(yè)任務(wù)中。正常（大學生？）正常（大學生？）臨床病人臨床病人兒童兒童特因條件特因條件 Setup Setup 文件的創(chuàng)建文件的創(chuàng)建 腦電記錄參數(shù)的設(shè)置（操作講解） EEGEEG記錄前的準備記錄前的準備1、被試填寫“被試情況表格” ；2、關(guān)于洗頭（使用中性洗頭膏）；3、使被試了

11、解實驗的科學性和無損傷性；4、詳細講解指導語；5、提醒實驗過程中應(yīng)注意的問題，如放松、少動等。需要說明的是，要告訴被試實驗中間可以休息，但要在實驗前上廁所；考慮到限制眨眼導致的偽跡可能更大，可以要求被試在自然放松的前提下，盡量少眨眼，但不能限制被試眨眼。 安放電極安放電極 EEG EEG 預記錄預記錄腦電基本波形是否正常、腦電基線是否平穩(wěn)、有無干擾；讓被試進行眼睛動作（閉眼睜眼、轉(zhuǎn)動眼球、水平掃視）；如果記錄了心電，需要觀察心電的基本波形是否正常、節(jié)律是否穩(wěn)定以及心跳周期；如果記錄了肌電，需要讓被試進行按鍵反應(yīng)，以觀察肌電記錄是否正常；讓被試作充分的練習，以及刺激的產(chǎn)生和按鍵反應(yīng)是否正確等。

12、l密切監(jiān)測非腦電偽跡l實驗前告知被試關(guān)于偽跡的注意事項以減少偽跡l確定偽跡的剔除標準 EOG的去除(相關(guān)法) PCA/ICA SVD & Spatial Filter基本過程基本過程（操作講解）1. 1. 合并行為數(shù)據(jù)和腦電預覽合并行為數(shù)據(jù)和腦電預覽2. 2. 去除眼電、去除眼電、心電心電、肌電肌電偽跡偽跡3. 3. 腦電分段腦電分段4. 4. 基線校正基線校正5. 5. 去除偽跡去除偽跡6. 6. 疊加平均疊加平均7. 7. 平滑化處理（平滑化處理（Smooth dataSmooth data，根，根據(jù)具體情況具體分析）據(jù)具體情況具體分析）/ / 數(shù)字濾波（根據(jù)具體數(shù)字濾波（根據(jù)具體

13、情況有選擇地進行）情況有選擇地進行）8. 8. 總平均總平均偽跡剔除偽跡剔除（操作講解） 相關(guān)法 PCA/ICA SVDSVD平滑化處理平滑化處理（操作講解）數(shù)字濾波的應(yīng)用數(shù)字濾波的應(yīng)用（操作講解） 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離線分析的幾個重要問題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怎樣確定用于溯源分析的時間范圍？怎樣確定用于溯源分析的時間范圍？如何有效地使用如何有效地使用PCA/ICA？什么情況下需要將某些什么情況下需要將某些ICA成分濾除？成分濾除？對自己的數(shù)據(jù)，應(yīng)該選擇哪一種源重構(gòu)模型最適當？對自己的數(shù)據(jù)，應(yīng)該選擇哪一種源重構(gòu)模型最適當？如何判

29、斷得到的溯源結(jié)果是否真實？如何判斷得到的溯源結(jié)果是否真實？McGurk Effect視聽整合電流密度動態(tài)變化ERPsERPs研究研究成分研究成分研究應(yīng)用研究應(yīng)用研究CNVP300（P3a）N400？MMN特點及其影響因素起源及產(chǎn)生機制心理生理臨床應(yīng)用特因條件功能評估注意、記憶、語言加語言加工工、知覺、意識等神經(jīng)精神科、昏迷愈后、輔助診斷等航空、航天、航海、惡劣環(huán)境條件等駕駛疲勞、智能評估、音樂認知能力、健康評估等Oddball-control中的偏差刺激，將刺激的感覺因素排除(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信息信息自動加工自動加工(?)(?)的指標的指標視覺注意效應(yīng)，注意早期注意效應(yīng)，注意早期聽覺注意效應(yīng)，注意早期聽覺注意效應(yīng)，注意早期朝向反應(yīng)，信息非隨機注意朝向反應(yīng)，信息非隨機注意整合、背景更新、決策加工整合、背景更新、決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、頻譜）（相干、同步、頻譜） ERP（成分、腦區(qū)定位、偶極子和電流密度溯源）（成分、腦區(qū)定位、偶極子和電流密度溯源）* *解脫波解脫波 情緒研究的重要指標情緒研究的重要指標Nogo N2/P3；ERN，error-related negativityConflict controlN270沖突加工Nogo反應(yīng)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 反應(yīng)時和正確率比較(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