事件相关电位(ERPs)研究生上课

事件相关电位(ERPs)技术及应用曲琛[e-mail]2020/3/21华南师范大学曲琛脑电研究的优势？2020/3/21华南师范大学曲琛（一）无创性。（二）时间分辨率高：认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。行为方法的指标反应时（RT）和正确率，通常反映的是从刺激到反应的全部认知的结果，不能区分认知中的阶段而观察其过程。ERP测量的则是从刺激到反应的连续过程。可以显示受实验自变量影响的是认知加工是哪个阶段或哪些阶段。（三）可以实时地测量没有行为反应的认知加工。例如句中的某个词的实时加工。鉴于此，有的科学家将ERP称为“二十一世纪的反应时”（Luk，2005）。（四）具有脑自动加工的指标。例如MMN。为人类非意识加工、潜意识行为、无意识状态、内隐认知这类重要却难以研究的脑的自动加工领域提供了难得的研究方法与有效研究途径。（五）空间分辨率128导约为3mm，达到了现代水平。（六）设备相对简单，对环境的要求不高。2020/3/21华南师范大学曲琛ERP提高空间分辨率较低（一）颅骨不匀且有个体差异。（二）容积导体效应。（三）电场封闭，例如，ERP主要来自皮质第3、5层，不全面，不正确。2020/3/21华南师范大学曲琛一、自发电位EEG与事件相关电位ERPElectroencephalography,EventRelated-Potentials•EEG：不断发生/自发；ERP：诱发才有。•EEG含有心理与生理信息，但非为波形本身。•ERP是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观察不到，需提取。2020/3/21华南师范大学曲琛二、ERP的基本概念（一）名词来源原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对“自发电位”而言。Evoked（Brain）Potentials=EP由于EP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“事件相关（脑）电位”（1969，HerbVauhan）。Event-Related（Brain）Potentials=ERPs平均诱发电位。强调经过计算机平均。AverageEvokedPotentials2020/3/21华南师范大学曲琛（1）诱发电位（EP）的广义定义：凡是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的电位变化。（2）诱发电位（EP）的狭义定义：凡是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，在脑区所引起的电位变化。（3）事件相关电位（ERP）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，以及当某种心理因素出现/变化时在脑区所产生的电位变化。•需要注意撤反应。（二）ERP的定义2020/3/21华南师范大学曲琛三、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理（一）特性：1．淹没，约2微伏~10微伏。2．两个恒定：潜伏期、波形。（二）EEG对ERP的淹没与叠加基本原理2020/3/21华南师范大学曲琛2020/3/21华南师范大学曲琛2020/3/21华南师范大学曲琛信噪比的提高值与叠加次数:。例：原信号2微伏/噪音10微伏=0.2，叠加100次后（2微伏×100）/（10微伏×）=200微伏/100微伏=2//SNnnn1002020/3/21华南师范大学曲琛EEGandEvokedPotentialsEEGEvokedPotentials2020/3/21华南师范大学曲琛13ERP实验流程13实验前的记录设置（setup文件）2020/3/21华南师范大学曲琛2020/3/21华南师范大学曲琛（一）增益(Gain,放大倍数Amplification):（1）一般取105。（2）含HeadBox150倍。（3）VEOG与HEOG应减小。（4）分贝与放大倍数的关系：1dB=20logA，logA=dB/20例如，A=10000，则可表示为80dB。120dB，则logA=120/20=6，A=106。（5）易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚至成为直线。2020/3/21华南师范大学曲琛普通（单边）放大电路差动式（双边）放大电路（二）共模抑制比（辨差比，Commonmodelrejectionratio,CMRR）减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。CMRR=Ad/Ac,Ad：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。Ac1。例如，Ad=50000，Ac=1/20，则CMRR=106=120dB。2020/3/21华南师范大学曲琛（三）通过模拟滤波（设定频带宽度）减少噪音与干扰(1)频响曲线：任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行放大，对超过者不放大；该范围表示为频响曲线。频带宽度：-3dB（，约0.7）倍Ad时，高低频响间的频带宽度。范围的两端皆可调。频率响应曲线1/22020/3/21华南师范大学曲琛(2)低端频响FL：级间为阻容耦合，前级输出电压E一定。容抗Xc=1/ωC，频率ω越低，容抗越大，落在电容上的电压Ec越大，落在电阻上的后级输入电压ER越小，高频相反。所以只限制低频，故称高通(high-pass)。调节电容C可调节频响低端。例如将电容C调大，则容抗变小，更低频率的信号落在电容上的电压EC变小，落在电阻上的后级输入电压ER增大，以此拓宽了低端。时间常数（timeconstant,TC）=阻容乘积=1/（2πFL），是低端频响之表达。2020/3/21华南师范大学曲琛(3)高端频响Fh：在输出端并联电容C。频率越高越短路掉，只限制高频，故称故低通(low-pass)。调节电容C可调节频响高端。例如将电容C调小，使较高频率的容抗增大，不致短路掉，以此拓宽了高端。(4)设定频带宽度，使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除噪音与干扰信号目的。频带宽度的设定数值将直接影响ERP波形是否失真，至关重要。2020/3/21华南师范大学曲琛时间常数对波形的影响若TC=10，则FL=1/2πTC=1/62.8=0.0159Hz若TC=1，则FL=1/2πTC=1/6.28=0.159Hz若FL=0.01Hz，则TC=1/2πFL=1/0.0628=15.9若FL=0.05Hz，则TC=1/2πFL=1/0.314=3.18若FL=0.1Hz，则TC=1/2πFL=1/0.628=1.59ERP晚成分一般应取FL=0.01Hz，最多取0.05，见上图。2020/3/21华南师范大学曲琛•易犯的错误：①off-line进行不必要的数字滤波。②on-line进行不必要的陷波(Notch)。③模拟滤波低端不够低。（四）数字滤波(digitalfilter)：一般不用。用于陷波去50周干扰，或只留慢波等特殊情况。2020/3/21华南师范大学曲琛（五）A/D转换精度（amplituderesolution,AR）―ERP的波幅分辨率。举例说明。A/D转换卡Analogtodigitalconverter采样分辨率≥12bit（位）。输入电压范围（inputrange,IR）=±5V.超过者视为±5V而失真。12bit意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095个等级,每个等级10V÷4095=2.442mV。若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率=2.442mV÷20000=0.1221μV.即0.1221μV的脑电变化就测不出来。所以可得公式：为提高脑电分辨率，根据上列公式，可以[1]提高采样分辨率。现已多用14bit，每个等级10V÷16383=0.61mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0305μV.[2]在可能的范围内增大Ad。若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0306μV.若Ad=40000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷40000=0.0153μV.(21)bitARIRAd2020/3/21华南师范大学曲琛（六）A/D转换速度（采样速度）―ERP的时间分辨率在A/D转换精度足够的情况下，A/D转换速度，即采样速度决定着ERP的波幅精度与ERP的时间分辨率（见图）。ERP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PET、fMRI、光成像那样只是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已可达到微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40μs。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率≤0.5ms。总采样频率=（频率/导）*导数。减少导数则时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点数应等于或大于128点。2020/3/21华南师范大学曲琛（一）国际10-20系统•双耳孔间依10%与20%定出5个点；•鼻根与枕骨粗隆间经Cz依20%定出2个新点；•双侧T3与T4、前后距鼻根与枕骨粗隆10%处，共4点连线成一周，按20%定出8个新点；•空间等距距离地定出4个点，有效电极共19个点。•再加两个耳垂参考电极，共21个点。七、导联方法（二）单极导联与双极导联2020/3/21华南师范大学曲琛（三）参考电极问题单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位，各导的电位都是与它的电位相减的结果。理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位。但是人体是一个容积导体，生物电无处不在，无时不变，这样，理想的参考电极应放在无限远处，其生物电为零，但这样的部位是不存在的。在过去生物电研究的100年间，关于参考电极的争论从来没有停止过，是目前仍无结论的问题。参考电极的设置显然对数据有明显影响，因此这是一个重要的问题。这里仅简单讨论几种常用的脑电参考电极设置。1、双耳参考：将双耳乳突或耳垂连接作参考电极。由于①乳突或耳垂的脑电一般较小，较符合要求，②而且以其连接所得的平均电位作参考，与两半球距离相同，不会造成脑的两半球电位关系的失真，③由心脏中的偶极子产生的体表电流会循环流过头部，从而在脑电电极处引起虚假的电位变化，而双耳间的低阻通路会短路心电电流，从而阻止其在头部的流动，因此连接双耳作参考点可减少ECG干扰，故曾经长期成为经典方法使用。但①双耳电位在脑的活动中也在不断变化，且二只耳的电位未必相同，因此这种强制双耳电位相同的做法实为局部短路，会扭曲脑电源在头表产生的电位分布，②不能测量乳突附近的脑电变化，如MMN，故该法现已规定不能使用。2020/3/21华南师范大学曲琛2、单耳参考转换为双耳参考：目前较好的方法是以一只乳突/耳垂为参考进行记录，然后再转换为双侧乳突/耳垂作参考之值。该法既具有上述双耳参考之基本优点，又避免了物理连接造成的电位分布失真，故成为目前常用的方法。我们建议统一采用左乳突作为参考电极记录。由于两只参考电极在原帽子内已连在一起，故此时要将一枚参考电极贴在左乳突上，将另一枚参考电极闲置。另取一枚无用的电极（例如耷拉在帽子外的未用电极或HEOG电极等）贴在右乳突上，使成单极导联。记录后，各有效电极的ERP值皆减右乳突ERP值之半，即得两乳突连线作参考之ERP值。两乳突连线作参考实为各点皆减其均值，现其均值即是左右乳突ERP固有值之半。证明1：设作参考的左乳突ML的固有电位为Lm，右乳突MR的固有电位为Rm，则其均值为(Lm+Rm)/2。ML作参考后MR的记录值r=Rm-Lm，移项得Rm=Lm+r。代入上式ML与MR的均值即得(Lm+Lm+r)/2=Lm+r/2。由于各点记录值已减Lm，故应再减r/2。2020/3/21华南师范大学曲琛证明2：设A点的记录值为a，固有值为A，则a=A–Lm设右乳突的记录值为r，则r=Rm–Lm设拟求的A点在左右乳突均值作参考时的值为a’，则a’=A–(Lm+