ERP实验设计与数据分析

ERP的实验设计与数据处理罗跃嘉北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室一、刺激物与刺激程序刺激物分类1.视觉刺激2.听觉刺激3.体感刺激1视觉刺激非图形刺激几何图形图象文字静止图形运动图形刺激参数照度（illumination）：均匀投射到物体平面单位面积上的光通量称为照度。亮度（luminance）：给定方向离开、到达或穿过某一物体表面、单位立体角、单位投影面积上的光通量。•视角A=≈57.3×r/ddr23602听觉刺激纯音(puretone)：波形呈正弦曲线的声音短声(click)：主观感觉为“咔”声，也犹如弹指甲时发出的声音，波形为方波。白噪声(broadbandnoise/whitenoise)：指在较宽的频率范围内，各种滤波频带的噪声。语音(phonetic)：人类所特有的带有明确含义的声音。刺激参数•音高：声音音调的高低（音高）用物体振动的频率大小表示，单位为Hz。•强度：声音的用声压级表示，其符号为SPL，单位用分贝（dB）常用分贝声压级(dBSPL)表示。3体感刺激•指人体所能承受的微弱脉冲电流•刺激时程0.1～0.5ms，频率1～5Hz，电压50V刺激序列1.刺激呈现时间2.刺激间隔3.消除重叠成分1刺激呈现时间①刺激呈现时间长度与任务难度成反比②当呈现时间短到一定程度，例如视觉刺激在40ms以下，人就不能主观感觉到这个刺激，可利用此特性进行非意识的启动研究③撤反应即刺激物消失也能导致ERP波形的微小改变。避免撤反应的措施一是将刺激呈现时间适当延长或缩短，二是利用相减技术2刺激间隔SOAstimulusonsetasynchronyISIinterstimulusintervalOnsetOffset①短间隔将导致ERP成分，特别是早期成分的重叠②预留足够被试完成作业的反应时间③间隔过长可能浪费硬盘空间，并延长不必要的实验时间④刺激间隔与任务难度成反比。3消除相邻刺激的重叠成分1）高通滤波（high-passfiltering）增加频带宽度低端频率响应，可以减弱ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。如果仅对早期高频成分，例如听觉脑干诱发电位感兴趣，即可采用此法（高通为50～150Hz）。2）低通滤波(Low-passfilter)采用不同间隔随机化，可以部分消除邻近的ERP重叠成分，又叫Jitter法。130-190ms125-275ms120-320ms二、实验范式经典范式:Oddball,Go-Nogo注意:听觉,视觉记忆:学习-再认社会认知经典范式1--OddballOddball实验模式是指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o标准刺激(standardstimuli)——大概率o偏差刺激(deviantstimuli)——小概率令被试对偏差刺激进行反应，因此该偏差刺激称为靶刺激（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。标准刺激靶刺激非靶刺激刺激缺失新奇刺激ABCD跨通路延迟反应范式Task1：AttendingPicture,IgnoringTonePictureToneToneRedCrossDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignalTask2：AttendingTone,IgnoringPictureTonePictureClickDiscriminatewaitandcapturereacttheimperativesignal(0-2trial)(0-2trial)经典范式2--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，但也丢掉了因大、小概率差异而产生的ERP成分记忆的实验范式经典范式:学习-再认运动知觉的启动元记忆A.StudyPhase(14faces,SOA3s,duration1s)B.TestPhase(28faces,repeated50%,SOA3.2s,duration1s)理张理舒TimeLearningStageTestStageOldNew1stPresentTypicalProceduresms-1002004006008001000ms0.0-2.02.04.06.08.010.0Vms-1002006008001000ms-2.02.04.06.08.010.0V-1002004006008001000ms-2.02.04.06.08.010.0VC3CzC4HighFrequencyLowFrequencyEncodingeffectsonhigher-&lower-wordfrequency(Chinese)P180N350LPC110ms146ms166ms275ms498ms600ms650ms750ms114ms182ms234ms380ms486ms650ms680ms750ms听觉汉字视觉汉字第一阶段——感觉第二阶段——知觉第三阶段——语言Chen&Luo,2003,NeuroImage汉字的记忆编码-10020040060080010000.0-1.0-2.02.04.06.08.010.0-2.02.04.06.08.010.00.0-2.02.04.06.08.010.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.0-100200400600800.0900.01000.00.0-2.02.04.06.08.010.012.014.0FzCzPzOldNewDiff(Old-New)HigherFreq.LowerFreq.TestStageP180N350LPC单次运动实验模式示意图（a）与单次运动产生的ERP总平均图（b）特定方向二义左右左—右(0-90°)(0-270°)(0-180°)F1F2向右运动二义运动向左运动F1F2F3启动–目标间隔(200,400,and1000ms)二义-目标特定-目标(实验)(对照)启动目标(0-90-270°)(0-90-0°)特定方向二义方向双次运动的实验模式示意图（a）双次运动产生的ERP总平均图（b）强启动弱启动无启动实验对照P1P32个相反的特定方向无启动弱启动强启动98162226386418ms+2.5+2.0+1.5+1.0+0.50-0.5-1.0V颞上回枕叶hMT+内侧顶叶Z=3.09Z=13.11ab实验组与对照组相减的差异波地形图（a）和fMRI结果(b),jiangLuoetal,2002RT(ms)%SameDirectionJudgements4005006007008009001000020406080100PriminginYoungPriminginOldReversalsinYoungReversalsinOld2004001000msPrimingReversalPrimingReversalinYounginYounginOldinOld2004001000msBehavioralDataTheperceivedrateinthesamedirectionintheyoungwashigherthanintheoldsubjects,F1,22=4.727,p.05.TheRTprolongedwithintervalincreasedonlyforprimingconditioninbothyoungandoldsubjects,F2,44=5.711,p.012、无意识启动运动知觉的老年化无启动弱启动强启动98162226386418ms+2.5+2.0+1.5+1.0+0.50-0.5-1.0V颞上回枕叶hMT+内侧顶叶Z=3.09Z=13.11ab首次确定视运动知觉的启动效应在刺激后98ms首先激活视觉初级皮层后续活动（400ms左右）发生在内侧颞叶、颞上回、顶叶等更广泛的脑区运动知觉启动与工作记忆0-90-180°0-90-0°SameDirectionOppositeDirection1stMotion2ndMotionTimeSOA:200ms各种条件下的启动效应0-90-270°0-180-90°0-180-0°Unambiguous—Ambiguous—Ambiguous—AmbiguousUnambiguousAmbiguous元记忆的研究方法实验分三个步骤进行o记忆一系列词对，例如“项目—大臣”o呈现前面的线索词(项目—？)，让被试回忆后面的靶子词(“大臣”)o在他们回忆不出来的情况下，令他们判断自己是否对那个不能成功回忆的词有一种“知道感”o通过一项再认测验来检验其“知道感”是否准确欺骗意图的实验范式将欺骗过程分成三个阶段：欺骗动机形成、做出欺骗反应、欺骗结果的评价(买晓琴，博士论文，2005)动机形成阶段ms-2003008001300180023002800µV-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5-2003008001300180023002800-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5FCzms-2003008001300180023002800-2.5-5.0-7.5-10.0-12.52.55.07.5µVµVms强迫欺骗强迫诚实强迫自愿自愿欺骗自愿诚实结果评价阶段欺骗组与简单组比较-2+3差异波-100100300500700-5-10-15510152025FCz-100100300500700-5-10-15510152025msµV290ms-15µV0300ms欺骗组简单反应组UpgradedParadigm+Stim*Feedback3005508001000800300500msTruecash：Fakedcash：￥1、￥5、￥10Response：F——fakedJ——trueF/JF1500~3000Gainwhentruthful(50%):+0.01/+0.05/+0.10Gainwhensuccessindeception(25%):+1.00/+5.00/+10.00Losswhenfailingindeception(25%):-2.00/-10.00/-20.00Resp二、刺激序列的问题1.刺激呈现时间2.刺激间隔3.消除重叠成分1刺激呈现时间①刺激呈现时间长度与任务难度成反比②当呈现时间短到一定程度，例如视觉刺激在40ms以下，人就不能主观感觉到这个刺激，可利用此特性进行非意识的启动研究③撤反应即刺激物消失也能导致ERP波形的微小改变。避免撤反应的措施一是将刺激呈现时间适当延长或缩短，二是利用相减技术2刺激间隔SOAstimulusonsetasynchronyISIinterstimulusintervalOnsetOffset①短间隔将导致ERP成分，特别是早期成分的重叠②预留足够被试完成作业的反应时间③间隔过长可能浪费硬盘空间，并延长不必要的实验时间④刺激间隔与任务难度成反比。3消除相邻刺激的重叠成分1）高通滤波（high-passfiltering）增加频带宽度低端频率响应，可以减弱ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。如果仅对早期高频成分，例如听觉脑干诱发电位感兴趣，即可采用此法（高通为50～150Hz）。2）低通滤波(Low-passfilter)采用不同间隔随机化，可以部分消除邻近的ERP重叠成分，又叫Jitter法。130-190ms125-275ms120-320msE-PRIME介绍E-PrimereferstotheExperimenter’sPrime(best)developmentstudioforthecreationofcomputerizedbehavioralresearch