1、ERP技术原理及其应用北京爱生科贸有限公司杨莹脑电的产生 神经元(Neuron)内部静息电位高于外部-77mV 神经电信号沿轴突(axon)通过突触(synapse)传递到下个神经元，使其内部电位为正（兴奋性后突触电位）或更负（抑制性后突触电位）大量朝向大脑皮层表面的神经细胞共同活动产生可在头皮上记录的电活动-脑电图-脑电图从EEG到ERP Electroencephalogram(EEG)是在头皮上记录下的连续电位变化 电位来自于两个电极的电位差 观测频率的变化可区分大脑活动的强弱:alpha波(8-12Hz)减弱=活动增强 把记录下的电活动与一个外部事件匹配后,得到Event Relate
2、d PotentialERP的基本预处理 滤波(30Hz low pass)去处伪迹(Artifact rejection)ERP电位(5-10V)小于背景EEG(50-100 V),需要通过对多个样本进行平均,增加S/N比平均参照(Average reference)基线矫正(100-200 ms before stimulus)处理后的总平均ERPComponent的命名 1.正负(P 或 N)加上潜伏期(N100,P300,N400)2.正负加上顺序位置(N1,P1,N2)3.功能(mismatch negativity,MMN;Recognition Potential,RP)Comp
3、onent的初步分类 Exogenous 比100 ms,其波幅和出现时间受任务,指导语,判断,期待,策略等等认知操作的影响对Component的测量 波峰电位Peak amplitude 平均电位Mean amplitude 对噪音和时间变化不太敏感 波峰潜伏期Peak latency 主成份分析(Principle Component Analysis)方差分析ERP研究的特点 ERP是介于心理学和神经科学之间的一项技术 ERP不止像反应时一样提供两种实验条件之间的差异,还提供差异发生的时间(毫秒级的时间分辨率)同时提供2-5厘米空间分辨率的间接位置信息ERP研究的优点 连续的记录提供了大
4、量的时间和空间数据 可以进行无任务的实验研究 与大脑的更直接联系ERP研究的弱点容易出现伪迹(artifacts):眨眼和眼动,肌电,舌运动,心电,皮肤电阻的变化成份之间相互重叠(如P300和N400)ERP的研究领域及应用感觉听觉视觉知觉知觉组织，知觉恒常性，空间知觉和运动知觉 无觉察知觉注意注意分配、双任务下的注意负载 早期成分N1、P20-50 MMN信息自动化加工 启动实验学习与记忆外显记忆和内隐记忆语言语音、字、词、句、理解/语义加工有关N400情绪情绪词、图片、面孔N170 悲伤面孔引起更大的LPC决策P300受主观概率、相关任务、刺激重要性、决策、信心、注意、记忆、情绪等多因素影
5、响Term 2 learners:150-350ms Chinese familiar vs.unfamiliar charactersLeft BA10(frontal),bilateral BA6(motor area)and right BA 8(frontal)BA20/21(temporal)ERP的空间定位（源定位）ERP实验流程 实验设计编写实验程序 招募被试 戴网状电极 采集脑电数据 分析脑电数据ERP实验过程实验前的准备实验过程中注意事项ERP实验过程实验前的准备：实验设计问题：刺激刺激的类型视觉刺激：光、单词、语句、图形、图象、照片听觉刺激：短音纯音语音、言语、自然与非自然
6、体感刺激：机械刺激、电流、按压ERP实验过程刺激的设置与编排呈现时间刺激的间隔刺激的随机性刺激出现的概率特殊要求ERP实验过程刺激的设置与编排举例P300（ODDBALL）任务刺激材料比例安排ERP实验过程被试的选择自身的特征：年龄、性别、视力、听力、智力、性格、利手、健康、教育程度组间与组内知情权（被试同意书）儿童临床病人ERP实验过程其他问题样本量：正常情况特定情况小样本自身对照预约被试：状态实验时间ERP实验过程其他问题器材：专用ERP设备（放大器、刺激器、显示器、电极/电极帽等）外，尚需准备好附属物品：毛巾、纸巾等 记录报告：打印好的被试调查表格和实验记录表格，内容主要包括：被试基本情
7、况(包括年龄、性别、智力水平、利手等)；实验中被试精神状态、配合情况；实验步骤记录；坏电极情况记录；数据处理中的问题记录。ERP实验过程实验过程：1、EEG记录前准备：填写基本资料洗头讲解ERP基本工作原理讲解实验任务实验过程中的注意事项ERP实验过程实验过程：2、电极校准（calibration）、增益（gain）、噪音（noise）的测查、环境噪音（net noise）ERP实验过程3、安放电极帽电极帽安放参照图：ERP实验过程放大倍数（Ad，Gain）：脑电的放大倍数通常要大于50000，EOG的放大倍数减小1/2或2/3。但目前随着放大器采样精度的提高，脑电放大倍数已经有所降低。带宽（
8、Bandpass）:高通的选择：如果选用交流采样（AC），则带宽的高通（High pass）应尽量低，比如0.01Hz或0.05Hz。ERP实验过程低通的选择：根据尼氏采样定理，低通应设置为所观察脑电频率成分的2倍以上，比如，想不失真地记录100Hz的脑电成分，那么采样的带宽低通不得低于200Hz。不管AC还是DC采样，低通（Low pass）均可以设置为100Hz或更高（如200Hz）。0.1Hz40Hz的带宽，虽然可以得到ERP的早期成分，但不利于研究其它高频成分的脑电在认知活动中的重要作用。采样率（A/D Rate）选用500Hz或1000Hz的采样率对一般的ERP成分是足够的，但如果研
9、究如听觉脑干诱发电位和中潜伏期反应的感觉诱发成分，则需要较高的采样率(如20000HZ)。ERP实验过程5、实验预记录观察脑电基本波形是否正常；脑电基线是否平稳；有无50Hz干扰；让被试进行眼睛动作（闭眼睁眼、转动眼球、水平扫视）的动作：观察眼动对脑电的影响，以判断电极安置是否合适，如：脑电和眼电的方向是否一致，是否是前部脑电受眼电影响较大等等，如果出现不符的情况，则要及时查找原因；观察闭目时活动是否出现，是否符合正常脑电标准，而睁眼时是否出现活动的抑制；ERP实验过程6、实验正式记录被试充分练习、熟悉实验任务后，即可以开始正式实验的记录；实验过程中，要注意实验室光线（半暗背景照明）、声音干扰
10、等情况；应事先留有足够的记录空间，记录时应特别注意脑电文件名的创建是否正确，是否符合要求；实验开始后应通过脑电记录判断被试是否真正理解指导语，如有问题及时解决。注意：先点击“Save”存盘，记录一小段时间（可以是13分钟）的安静脑电后再呈现刺激，也就是说，多存储一些无作业任务的脑电数据，这样做的好处是有助于对认知条件下与安静状态下的脑电进行比较研究。ERP实验过程6、实验正式记录伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。类型：肌电伪迹50Hz或60Hz干扰眼动伪迹血管性伪迹（心电和脉搏）出汗电极故障ERP实验过程6、实验正式记录伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。类型：电
11、极移动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。ERP实验过程6、实验正式记录伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：肌电（EMG）伪迹（见图）：特点：头颈部肌肉的运动（肌电）是产生脑电伪迹的主要原因之一。这种肌电伪迹的特点是频率快（20Hz1kHz），波幅较高（以mV计量），常表现为连续性的各种频率的尖头脉冲，还可表现为密集爆发的尖头脉冲（图3.9）。头部的EMG伪迹主要来自额、颞、耳后、枕及颈部肌肉的收缩，如颈部肌肉紧张（枕部导联）、吞咽（肌电伪迹常出现在各导联，以颞部导联显著）、皱眉（额前部导联）、咬牙等运动是头部ERP干
12、扰的最多见原因。EMG伪迹ERP实验过程6、实验正式记录伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：肌电（EMG）伪迹：消除办法：一方面要缓解被试紧张情绪、采用舒适体位，另一方面，根据肌电出现的部位，告诉被试尽量避免产生肌电的某种动作。另外，增加平均处理的刺激次数，也可以通过改善信噪比提高ERP的清晰度。当然，也可以离线对数据采用低通滤波方法消除高频干扰 ERP实验过程6、实验正式记录伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：50周（Hz）（见图）：特点：脑电图伪迹还可能来自50Hz市电。这种伪迹可从头皮电极检出，特别是电极电阻很高的时候。高电阻是因为头皮上未被清除的
13、油脂、脏污或死亡皮肤所引起的电极接触不良导致。如果所有导联均出现50周交流干扰，则可能是由于地线不良或外部高频干扰所致，也可能来自于接地电极或参考电极阻抗过高。50周干扰图ERP实验过程伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：电极移动（见图）：特点：任何电极在头皮上移动，甚至是轻微的移动都会引起伪迹产生。例如，当被试取仰卧位或头后部靠在椅背上，则枕部电极与枕头或椅背相接触，这样，每次呼吸时，被试头部上、下运动，使枕部电极产生轻微的摇动，这种电极摇动就会产生电极移动的伪迹（见下划线）ERP实验过程伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：出汗性伪迹（见图）：特点：出
14、汗会引起皮肤电阻的改变，从而产生一种非常缓慢（0.2 0.5Hz）的类似于基线漂移的电位活动，即出汗性伪迹。另外，出汗还会引起电极松动，形成非常缓慢的脑电波动。多见于易于出汗的额颞部电极，如果参考电极下皮肤出汗，则引起所有导联产生出汗性伪迹。出汗性伪迹导联1和2由于出汗导致高波幅、不规则的缓慢波动（摘自于JR Hughes 著，马仁飞译，临床实用脑电图学，2019）。ERP实验过程伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：眼动伪迹（见图）：特点：眼睛好象一个充电的电池，其角膜表面一侧为阳性（），视网膜一侧为阴性（）。这个电池有很大的持续性电压（高达60mV左右），大部分来自通过色
15、素上皮的电位。眼球运动时，会在脑电图上产生明显的偏转（因为眼球不动时为一静止的直流电位，而眼球运动时，则变为活动的交流电位，可明显影响脑电），这就是“眼动伪迹”，主要包括两种类型：水平眼动伪迹（HEOG）和垂直眼动伪迹（VEOG）眼动伪迹左图：VEOG对EEG的影响；右图：去除VEOG伪迹的EEG ERP实验过程伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：血管性伪迹（见图）：脉搏波伪迹：在这种情况下，电极位于一个随心脏跳动而搏动的血管附近，每次血流的冲击引起电极周围组织的轻微运动，每次心跳也使电极本身发生轻微的移动。伪迹的波动与脉搏同步出现，呈尖波样或大慢波样。血管性伪迹由上至下分
16、别为导联12、5、6、7、8。以耳垂为参考。可见各导联均出现90次/分钟的节律性慢波（血管波伪迹）。波幅：2.4mm=50V；纸速：12mm=1s。（引自谭郁玲主编，临床脑电图与脑电地形图学，2019）ERP实验过程伪迹的辨别：脑电描记中不是起源于脑部的电活动干扰。识别：血管性伪迹（见图）：心电伪迹：每次心脏收缩都伴随出现心电图，心电图可在身体的几乎任何部位检出，并可能扩展到头部，呈现一种有规律的且与心跳一致的棘波样或尖锐样波（相对于心电图的R波），有时还可见到T波，称之为“心电伪迹”。常见于颞部导联和耳垂无关电极，有时也可见于全部导联。心电伪迹以耳为参考，明显的心电QRS波群伪迹（摘自于JR
17、 Hughes 著，马仁飞译，临床实用脑电图学，2019）。ERP实验过程7、数据记录结束后的整理1、摘除电极或电极帽，动作要轻，严禁用力牵扯电极或电极导线；摘除面部电极时，要注意被试的感觉；2、被试洗头，去除导电膏，并防止感冒；3、刻录脑电、行为数据光盘，备份；4、填写完成“实验记录表格”；5、根据被试要求讲解行为数据结果；6、整理实验用品、清扫地面；7、电极帽的清洗用清水冲洗即可，不可用力揉搓后，清洗完毕后将其晾干、置于通风处风干。EGI公司脑电系统介绍及演示EGI系统结构示意图定位仪放大器数据采集电极帽256 导电极位置一、EGI系统的结构 电极帽（net）放大器Amplifier 刺激
18、呈现软件Eprime 数据采集分析软件Net station 源定位软件 GeoSouceEGI系统硬件介绍 网状电极 放大器 苹果电脑（数据记录）PC（刺激呈现）转换器/分屏器 Single clock(Optional)PST Box 隔离电源二、电极帽与放大器 EGI电极帽的特点 电极帽的安装方法 放大器的特点及技术指标A/D转换：24 bits 输入阻抗：200M采样速率：20kHz（256通道）采样范围：200 mV放大器噪声：0.6 V 精确度：70 nV/bit共模抑制比：90 dB 三、刺激呈现软件 E-prime的基本功能的基本功能 EENS针对针对Net Station的的
19、E-Prime扩展扩展 Single-Clock Solution同步时钟方案同步时钟方案四、数据分析功能 波形工具箱（Waveform tools）滤波Filter 分段Segmentation.Why do segmentation?自动伪迹检测Artifact detection 坏电极替换Bad channel replacement 平均Averaging 全脑平均或耳后乳突参照Reference to a.average reference or b.linked mastoid 基线矫正Baseline correction 总平均Grand average 其它工具:FilterSegmentArtifact detectionBad channel replacementAverageAVERAGE REFERENCINGBaseline correctionScript
