ERP基本理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用

1、erperp的基本原理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的基本原理及其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用中的應(yīng)用the basic principles and application in neurosciences of erp魏景漢魏景漢jing-han weiw中國(guó)科學(xué)院心理研究所中國(guó)科學(xué)院心理研究所institute of psychology, academia sinica一、一、erp的基本原理的基本原理eeg含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身，erp是信息引起的是信息引起的波形本身波形本身，但淹沒在但淹沒在eeg中，通常觀察不到，需提取。中，通常觀

2、察不到，需提取。1、名詞來源、名詞來源原稱：誘發(fā)（腦）電位，強(qiáng)調(diào)刺激引起，針對(duì)原稱：誘發(fā)（腦）電位，強(qiáng)調(diào)刺激引起，針對(duì)“自發(fā)電位自發(fā)電位”而而言。言。evoked（brain）potentials = ep由于認(rèn)知由于認(rèn)知ep不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動(dòng)的自上而下的不僅外界刺激感覺所致，尚來自主動(dòng)的自上而下的心理因素，故改為心理因素，故改為“事件相關(guān)（腦）電位事件相關(guān)（腦）電位”（1969，herb vauhan）。）。event-related（brain）potentials = erps平均誘發(fā)電位。強(qiáng)調(diào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)平均。平均誘發(fā)電位。強(qiáng)調(diào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)平均。average evoked

3、potentials（1）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（ep）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作）的廣義定義：凡是外加一種特定的刺激作用于機(jī)體，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起用于機(jī)體，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，在神經(jīng)系統(tǒng)任何部位引起的電位變化。的電位變化。（2）誘發(fā)電位（）誘發(fā)電位（ep）的狹義定義：凡是外加一種特定的刺激，）的狹義定義：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(shí)，在作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，在腦區(qū)所引起的電位變化。腦區(qū)所引起的電位變化。（3）事件相關(guān)電位（）事件相關(guān)電位（erp）的定義：當(dāng)外加一種特定的刺激

4、，）的定義：當(dāng)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(shí)，或作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，或/和當(dāng)某種心理因素出現(xiàn)時(shí)在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。和當(dāng)某種心理因素出現(xiàn)時(shí)在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。 需要注意撤反應(yīng)。需要注意撤反應(yīng)。2、erp的定義的定義3、特性：、特性：（1）淹沒，約）淹沒，約2微伏微伏 10微伏。微伏。（2）兩個(gè)恒定：潛伏期、波形。）兩個(gè)恒定：潛伏期、波形。4、簡(jiǎn)史：、簡(jiǎn)史：1935-1936 pauline and hallowell davis首先在清醒人記錄到感覺首先在清醒人記錄到感覺erp。1939 davis等首次發(fā)表等首

5、次發(fā)表erp論文，單次刺激誘發(fā)，論文，單次刺激誘發(fā)，eeg平靜時(shí)記平靜時(shí)記錄。錄。1947 dawson 首次報(bào)道用照相疊加技術(shù)記錄人體首次報(bào)道用照相疊加技術(shù)記錄人體ep。1951 dawson 首次發(fā)明機(jī)械驅(qū)動(dòng)首次發(fā)明機(jī)械驅(qū)動(dòng)-電子存儲(chǔ)式電子存儲(chǔ)式ep疊加與平均方法疊加與平均方法（張明島等，（張明島等，1995），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學(xué)的新時(shí)代。），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學(xué)的新時(shí)代。1962 galambos and sheatz首次發(fā)表計(jì)算機(jī)平均疊加首次發(fā)表計(jì)算機(jī)平均疊加erp論文。論文。1964 grey walter等發(fā)表第一個(gè)認(rèn)知等發(fā)表第一個(gè)認(rèn)知erp成分（成分（cnv），標(biāo)志著），標(biāo)志著er

6、p研究新時(shí)代的開始。研究新時(shí)代的開始。5、eeg對(duì)對(duì)erp的淹沒與的淹沒與疊加基本原理疊加基本原理l 計(jì)算機(jī)不設(shè)置負(fù)值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪計(jì)算機(jī)不設(shè)置負(fù)值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪聲疊加也增大，而不是互相抵消。聲疊加也增大，而不是互相抵消。l 信噪比的提高值與疊加次數(shù)信噪比的提高值與疊加次數(shù): 。 例：例：原原信號(hào)信號(hào)2微伏微伏 / 噪音噪音10微伏微伏 = 0.2，疊加，疊加100次后次后 （2微伏微伏100）/（10微伏微伏 ）= 200微伏微伏 / 100微伏微伏 = 2 /s nnnn1006 6、a/da/d轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）erperp的

7、時(shí)間分辨率的時(shí)間分辨率 erperp時(shí)間分辨率高的根本原因是由于它是對(duì)神經(jīng)元自身活動(dòng)時(shí)間分辨率高的根本原因是由于它是對(duì)神經(jīng)元自身活動(dòng)的測(cè)量，而不是像的測(cè)量，而不是像petpet、fmrifmri、光成像那樣只是對(duì)神經(jīng)元代謝產(chǎn)、光成像那樣只是對(duì)神經(jīng)元代謝產(chǎn)物的測(cè)量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為物的測(cè)量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為erperp的高時(shí)間分辨率提供了保障。目前的高時(shí)間分辨率提供了保障。目前erperp的時(shí)間分辨率在理論上已的時(shí)間分辨率在理論上已可達(dá)到微秒級(jí)?？蛇_(dá)到微秒級(jí)。 實(shí)際上，在記錄早成分時(shí)，由于它在實(shí)際上，在記錄早成分時(shí)，由于它在10ms10ms內(nèi)有

8、七、八個(gè)波內(nèi)有七、八個(gè)波，記錄由，記錄由256256點(diǎn)以上組成，因此點(diǎn)間距即時(shí)間分辨率小于點(diǎn)以上組成，因此點(diǎn)間距即時(shí)間分辨率小于40s40s。一般的。一般的erperp儀器采樣頻率也大于儀器采樣頻率也大于2000hz/2000hz/導(dǎo)，即時(shí)間分辨率導(dǎo)，即時(shí)間分辨率0.5ms0.5ms?？偛蓸宇l率?？偛蓸宇l率= =（頻率（頻率/ /導(dǎo)）導(dǎo)）* * 導(dǎo)數(shù)。減少導(dǎo)數(shù)則時(shí)間分導(dǎo)數(shù)。減少導(dǎo)數(shù)則時(shí)間分辨率相應(yīng)提高。設(shè)置時(shí)間分辨率的一般原則是，組成辨率相應(yīng)提高。設(shè)置時(shí)間分辨率的一般原則是，組成epochepoch的點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于數(shù)應(yīng)等于或大于128128點(diǎn)。點(diǎn)。7、erp的研究分類的研究分類（1）按感

9、覺通路：aep、vep、sep（2）按潛伏期：早、中、晚成分、慢波。例aep。a（3）命名法：）命名法：正p負(fù)n潛伏期。如p300, n400, n170。（4）向上為負(fù)。）向上為負(fù)。（5）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。 純心理波：純心理波：運(yùn)動(dòng)前電位、刺激遺漏成分、解脫波。8、erp的優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì): （1）無創(chuàng)性、時(shí)間分辨率高）無創(chuàng)性、時(shí)間分辨率高 便于與便于與rt 配合進(jìn)行認(rèn)知過程配合進(jìn)行認(rèn)知過程研究、空間分辨率研究、空間分辨率128導(dǎo)約為導(dǎo)約為3mm，達(dá)到了現(xiàn)代水平。是，達(dá)到了現(xiàn)代水平。是心理學(xué)工作者進(jìn)行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的最得

10、力的方法。心理學(xué)工作者進(jìn)行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。（2）認(rèn)知可分為認(rèn)知過程和認(rèn)知狀態(tài)，）認(rèn)知可分為認(rèn)知過程和認(rèn)知狀態(tài)，過程指的就是時(shí)間過過程指的就是時(shí)間過程。程。 （3）設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的要求不高。）設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的要求不高。9、 妨礙妨礙erp提高空間分辨率的原因：提高空間分辨率的原因：（1）顱骨不勻且有個(gè)體差異）顱骨不勻且有個(gè)體差異（2）容積導(dǎo)體效應(yīng)）容積導(dǎo)體效應(yīng)（3）電場(chǎng)封閉（主要來自錐體細(xì)胞層，失真：該）電場(chǎng)封閉（主要來自錐體細(xì)胞層，失真：該層層erp大，其他層?。┐螅渌麑有。?966: 1771967-68: 15011969-70: 19711971-72: 2

11、0631973-74: 22161975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 34451981-82: 42081983-84: 44161985-86: 45381987-88: 46101989-90: 48041991-92: 54791993-94: 53861995-96: 54611997-98: 58881999-00: 62052001-02: 62992003-04: 699610、erp的發(fā)展趨勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)二、二、erp在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用1、erp的學(xué)術(shù)位置的學(xué)術(shù)位置屬于心理生理學(xué)（屬于心理生理學(xué)（psychophysi

12、ology）范疇。）范疇。心理生理學(xué)以心理因素為自變量，以生理指標(biāo)為應(yīng)變量，一般心理生理學(xué)以心理因素為自變量，以生理指標(biāo)為應(yīng)變量，一般以人為被試。以人為被試。生理心理學(xué)（生理心理學(xué)（physiological psychology）以生理變化為自變量，）以生理變化為自變量，以心理因素為應(yīng)變量，一般以動(dòng)物為被試。以心理因素為應(yīng)變量，一般以動(dòng)物為被試。心理生理學(xué)是從生理心理學(xué)中分離出來的。同屬認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。心理生理學(xué)是從生理心理學(xué)中分離出來的。同屬認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是在近十余年才興起的一門交叉學(xué)科，是腦科學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是在近十余年才興起的一門交叉學(xué)科，是腦科學(xué)界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新

13、時(shí)代，界頗受關(guān)注的領(lǐng)域，是心理學(xué)的新時(shí)代， erp是其中的重要組是其中的重要組成部分。成部分。 個(gè)性心理特征 心理學(xué) 情緒 意志 心理過程 認(rèn)知心理學(xué) 心理語(yǔ)言學(xué) 認(rèn)知科學(xué) 人工智能 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)腦科學(xué) 生理學(xué) . .認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)科位置二、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法之比較二、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法之比較三、作用舉例三、作用舉例（一）關(guān)于注意選擇性發(fā)生時(shí)程的（一）關(guān)于注意選擇性發(fā)生時(shí)程的erp證據(jù)證據(jù)1、兩耳純音各一不同?？焖伲s、兩耳純音各一不同。快速（約6次次/秒）隨秒）隨機(jī)呈現(xiàn)。機(jī)呈現(xiàn)。2、兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每項(xiàng)只記一只耳的純音數(shù)。、兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每項(xiàng)只記一只耳的純音數(shù)。3、圖、圖1、2 的早成分不受注意影

14、響。的早成分不受注意影響。4、圖、圖3、4 的中成分（涂黑）受注意影響。的中成分（涂黑）受注意影響。5、圖、圖5為差異波為差異波p20-50 （涂黑），相當(dāng)早。（涂黑），相當(dāng)早。6、 erp與與meg（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)（腦磁圖）聯(lián)合記錄結(jié)果發(fā)現(xiàn)p25-50發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級(jí)聽皮發(fā)生在聽皮質(zhì)，很可能在初級(jí)聽皮質(zhì)。質(zhì)。7、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺加工的早期、結(jié)論：注意選擇性發(fā)生在聽覺加工的早期階段。階段。1 1、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下實(shí)驗(yàn)采用的刺激呈現(xiàn)模式可圖示如下, , 其中數(shù)字單位為其中數(shù)字單位為ms: ms: 純音純音 - - 提示字提示字 -

15、 - 目標(biāo)字目標(biāo)字 - - 被試述詞被試述詞 - - 下次純音下次純音 . . 220 1210 200 1300 200 4400220 1210 200 1300 200 4400 頭皮記錄頭皮記錄 fzfz、czcz、pzpz、左腦、左腦p3-t5 p3-t5 及右腦及右腦p4-t6 p4-t6 共五點(diǎn)之共五點(diǎn)之erp.erp. 每名被試皆接受二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)每名被試皆接受二項(xiàng)實(shí)驗(yàn). .（1）具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn)。主要目的：突出目標(biāo)字義的加工，減弱形音加工。）具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn)。主要目的：突出目標(biāo)字義的加工，減弱形音加工。純音預(yù)告漢字即將出現(xiàn), 引起注意.提示字皆認(rèn)識(shí)字, 要識(shí)記其發(fā)音與字形.目標(biāo)字與提示

16、字音同形似,如,提示字“丁”,目標(biāo)字“釘”;“防” 房.目標(biāo)字分為認(rèn)識(shí)與不認(rèn)識(shí).對(duì)認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字要根據(jù)其義聯(lián)想出另一個(gè)字, 組成雙字詞并口頭報(bào)告.對(duì)不認(rèn)識(shí)的字根據(jù)提示字音、形盡量猜測(cè)其義,仍不認(rèn)識(shí), 述不認(rèn)識(shí).（二）語(yǔ)言加工的腦機(jī)制（二）語(yǔ)言加工的腦機(jī)制 半視野漢字研究（半視野漢字研究（wei, et al., neuroreport, 2001）（2）非提示對(duì)照實(shí)驗(yàn)）非提示對(duì)照實(shí)驗(yàn):“提示提示”字為無關(guān)字字為無關(guān)字, 即與目標(biāo)字形音義皆異即與目標(biāo)字形音義皆異,目標(biāo)字聯(lián)想前缺少音與目標(biāo)字聯(lián)想前缺少音與形的予加工形的予加工, 余同具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn)余同具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn). 2、主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論、主要實(shí)驗(yàn)

17、結(jié)果與討論: （1）漢字認(rèn)知的起始時(shí)程）漢字認(rèn)知的起始時(shí)程具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn)具體字聯(lián)想實(shí)驗(yàn)圖為左視野圖為左視野erp 橫排橫排5個(gè)記錄點(diǎn)個(gè)記錄點(diǎn) 左半球左半球p3-t5，左視野為同側(cè)，右半，左視野為同側(cè)，右半球球p4-t6，左視野為對(duì)側(cè)，左視野為對(duì)側(cè) 紅線為目標(biāo)字認(rèn)識(shí)時(shí)的紅線為目標(biāo)字認(rèn)識(shí)時(shí)的erp, 綠線為目綠線為目標(biāo)字不認(rèn)識(shí)時(shí)的標(biāo)字不認(rèn)識(shí)時(shí)的erp 在每幀圖中在每幀圖中, 純音、提示字和目標(biāo)字純音、提示字和目標(biāo)字各引起一組各引起一組erp。左視野左視野左半球左半球（同側(cè)）（同側(cè)）右半球右半球（對(duì)側(cè)）（對(duì)側(cè)）在生理上在生理上, 半視野刺激應(yīng)首先投射于對(duì)側(cè)半視野刺激應(yīng)首先投射于對(duì)側(cè)腦腦, 然后傳導(dǎo)到

18、同側(cè)腦然后傳導(dǎo)到同側(cè)腦. p1潛伏期潛伏期(約約100ms) 附合這一規(guī)律附合這一規(guī)律: 對(duì)側(cè)對(duì)側(cè)投射比同側(cè)傳導(dǎo)出現(xiàn)得早投射比同側(cè)傳導(dǎo)出現(xiàn)得早.n1潛伏期潛伏期(約約160ms)已不附合這一規(guī)律已不附合這一規(guī)律: 對(duì)側(cè)投射與同側(cè)傳導(dǎo)基本同時(shí)出現(xiàn)對(duì)側(cè)投射與同側(cè)傳導(dǎo)基本同時(shí)出現(xiàn).提示字引起的提示字引起的n1仍為對(duì)側(cè)投射早于同側(cè)仍為對(duì)側(cè)投射早于同側(cè)傳導(dǎo)傳導(dǎo).目標(biāo)字與提示字的區(qū)別主要在于突出了目標(biāo)字與提示字的區(qū)別主要在于突出了詞義加工詞義加工.所以所以n1受到了目標(biāo)字詞義加工的調(diào)節(jié)受到了目標(biāo)字詞義加工的調(diào)節(jié). 它它始于始于 100ms 至至 160ms之間，亦即漢字認(rèn)之間，亦即漢字認(rèn)知的起始時(shí)程約為知

19、的起始時(shí)程約為100ms 至至 160ms.左右視野目標(biāo)字在左右半球（對(duì)側(cè)、同側(cè)）引起的p1與n1（2）左右腦在漢字加工中的關(guān)系：）左右腦在漢字加工中的關(guān)系： 左腦左腦n1遲于右腦出現(xiàn)，遲于右腦出現(xiàn)， 左腦左腦n1波幅波幅大于右腦。大于右腦。 所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右所以有理由假設(shè)，左腦可能需等待右腦傳來必要的信息后才開始加工，但腦傳來必要的信息后才開始加工，但其加工一旦開始就在一定時(shí)期內(nèi)占優(yōu)其加工一旦開始就在一定時(shí)期內(nèi)占優(yōu)勢(shì)。這就是說，在起始時(shí)間與加工強(qiáng)勢(shì)。這就是說，在起始時(shí)間與加工強(qiáng)度兩個(gè)維度上兩個(gè)半球各占優(yōu)勢(shì)。度兩個(gè)維度上兩個(gè)半球各占優(yōu)勢(shì)。 漢漢字加工中的字加工中的“優(yōu)勢(shì)半球優(yōu)勢(shì)

20、半球”概念已難以概念已難以概括上述二維差異，需要修正。概括上述二維差異，需要修正。左視野，不認(rèn)識(shí)左視野，不認(rèn)識(shí) 認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)（3）漢字認(rèn)識(shí)否引起的）漢字認(rèn)識(shí)否引起的erp差異：差異：不認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字的不認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字的psw波幅大于認(rèn)識(shí)的目波幅大于認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字標(biāo)字psw, 前者的潛伏期也顯著長(zhǎng)于后者前者的潛伏期也顯著長(zhǎng)于后者.不認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字不認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字erp 認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字erp = p800.該差值只與漢字認(rèn)識(shí)與否及聯(lián)想該差值只與漢字認(rèn)識(shí)與否及聯(lián)想/猜想相關(guān)猜想相關(guān), 物理因素皆被減掉物理因素皆被減掉; 為純心理性成分為純心理性成分.二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)全部記錄點(diǎn)均于目標(biāo)字后約二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)全部記錄點(diǎn)均于

21、目標(biāo)字后約800ms出現(xiàn)了一個(gè)相似的正成分出現(xiàn)了一個(gè)相似的正成分, 說明是一種規(guī)律說明是一種規(guī)律.在此實(shí)驗(yàn)條件下可作為判斷被試是否認(rèn)識(shí)在此實(shí)驗(yàn)條件下可作為判斷被試是否認(rèn)識(shí)所用漢字的客觀標(biāo)志所用漢字的客觀標(biāo)志. 在此將該差異成分標(biāo)在此將該差異成分標(biāo)記為記為p800. 2021-11-8意識(shí)的腦機(jī)制24（4）形音加工）形音加工erp成分的獲得，成分的獲得， 形音加工的反復(fù)性形音加工的反復(fù)性對(duì)照組認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字需形音義全面加工.具體組認(rèn)識(shí)的目標(biāo)字主要進(jìn)行義的加工.對(duì)照組對(duì)照組- 具體組具體組 = 形音加工成分形音加工成分.結(jié)果：結(jié)果：160ms正成分, 450ms負(fù)成分, 800ms另一個(gè)正成分.所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復(fù)所以形音加工不是一次完成的，而是存在著反復(fù).2021-11-8意識(shí)的腦機(jī)制25（5）形音義的加工順序，形音義加工的反復(fù)、交錯(cuò)與重疊：）形音義的加工順序，形音義加工的反復(fù)、交錯(cuò)與重疊：由（由（1）已知，在）已知，在100ms至至160ms左右已開始了詞義加工左右已開始了詞義加工. 由（由（3）已知，）已知，800ms后仍在進(jìn)行詞義加工后仍在進(jìn)行詞義加工. 由（由（4）已知，形音加工在）已知，形音加工在160ms、450ms和和800ms附近也均有表現(xiàn)附近也均有表現(xiàn).由（由（1