ERP基础
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
事件相关脑电位基础
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
内
容
认知神经科学与脑成像
EEG与ERP的概念
ERP的技术原理
ERP的主要成分
一、认知神经科学 与脑成像
人脑是由上千亿个神经元组成的复杂巨系统。它为人 类提供了知觉、运动、注意、学习、记忆、思维、语 言、情感、意识等最重要的高级脑功能和认知行为 脑-认知-行为的关系是人类在认识自身的过程中必须 解决的核心问题。它将对人类理解自然和自身、增进 脑和身心健康、发展全新的脑智能信息系统及提高全 民族的知识创新能力作出重要贡献
ERP的定义
1．名词来源
Event-Related Brain Potentials = Event-Related Potentials EP = Evoked Brain Potentials = Evoked Potentials 计算机平均/平均诱发电位: Average Evoked Potentials
• 为了增大放大倍数Ad， 应调节脑电基线接近零 ，以便进一步充分放大 脑电信号,又不致超出 ±5伏的采样范围 • 调节脑电基线接近零可 防止不必要的失真。例 如脑电20μV，基线200 μV，共220μV，放大 30000倍后脑电成为 6.6V，溢出的1.6V被削顶 失真。若基线为0，则 20μV放大30000倍为 0.6V，正常。
频率响应曲线
放大倍数 Ad
0.7
FL
Fh
频率Hz
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
(2) 时间常数：TC = 1/（2πfL），fL为低端频响。
低端频响 = 高通(high-pass)值
高端频响 = 低通(low-pass)值。
(3) 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。
（4）易犯错误： ① off-line 进行不必要的数字滤波(digital filter)。 ② on-line 进行陷波(Notch)。 ③ 低端不够低。
时间常数对波形的影响
若TC = 10，则 F L = 1 / 2πTC = 1/62.8 = 0.0159 Hz 若TC = 1，则 F L = 1 / 2πTC = 1/6.28 = 0.159 Hz 若F L = 0.01 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.0628 = 15.9 若F L = 0.05 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.314 = 3.18 若F L = 0.1 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.628 = 1.59 ERP晚成分一般应取 F L = 0.01 Hz，最多取0.05，见上图。
光学成像 也包括传统的X光放射影像和超声影像技术
脑成像发展的意义
• 脑成像作为认知神经科学研究最为主要的技术 手段，使人类有史以来第一次能直接观察到大 脑的心理过程和认知活动，有如研究脑功能的 “显微镜”和“望远镜”。 • 在国际著名的大学，神经科学、脑科学、认知 科学、以及心理学研究机构，无一例外地拥有 脑成像研究中心或实验室，中国科学院也建立 了中国第一个拥有3T fMRI与128导ERP系统的 大型脑成像研究基地
ERP数据提取过程
EEG EOG 放大 模滤 A/D 转 换 叠加 排伪 数滤 存盘 总 平 均 测量 绘图 统计
光盘 记录 (离线式)
电生理放大原理
• 增益(Gain, 放大倍数Amplification) • 共模抑制比(Common model rejection ratio, CMRR) • 模拟滤波（设定频带宽度）
不高
ERP论文发表量
60s: 1000 70s: 2000 80s: 4000 90s: 5000 00s: 6000
三、ERP的技术原理
EEG对ERP的淹没与叠加基本原理
EEG对ERP的淹没与叠加基本原理
计算机不设臵负值，只有正值，波的低谷也为正 值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。
ERP的优劣
• 无创性、时间分辨率 高 — 便于与RT 配合进 行认知过程研究;空间分 辨率128导约为3mm • 认知可分为认知过程和 认知状态，过程指的就 是时间过程 • 设备简单，对环境要求 • 妨碍ERP提高空间分辨 率的原因
1. 颅骨不匀且有个体差 异
2. 容积导体效应
3. 电场封闭
（1）淹没：约2— 10 微伏 （2）两个恒定：潜伏 期、波形。
4．出现
• 1947年Dawson 首次 报道用照相叠加技术 记录人体EP • 1951年Dawson 首次 介绍EP平均技术，开 创了神经电生理学的 新时代
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ERP的产生与发展
• 1875年Caton等首先发现脑的自发电活动
• 1924年Hans Berger 首次记录EEG
例如, 有5μV的脑电信号.
若基线为15μV,
则处于20μV的位臵 最多放大250,000倍
因为20μV×250,000=5V, 已达极限值.
若基线为0μV, 则处于5μV的位臵 最多放大1,000,000倍 因为5μV×1,000,000=5V, 才达极限值.
• 只有当偶极子源具有开放型电场时，才能 被远距离记录到。简单地说，当脑组织中 神经元的排列方向一致时（如皮质第3、5 层的锥体细胞），其同步发放所形成的电 场即是开放型电场，此时神经元电场相加 总合，可在颅外记录到相应的电位。
ERP的学术位置
• 属于心理生理学（psychophysiology）范畴
学科分支
能 ，语 言 学 、发 展 心 理 学 、哲 学 、人 类 学 和 神 经科学
特
点
跨学科 行为水平
跨学科 多层次
跨学科 多层次
1 m 10 cm 1 cm
全脑
系统
脑区 网络 神经元 突触 分子
1 mm
100 mm 1 mm
1 A
认知神经科学
认知神经科学（Cognitive Neuroscience） 是阐明认知活动的心理过程和脑机制的科 学；换言之，是研究脑是如何创造精神的 认知神经科学的研究模式是将行为、认知 过程、脑机制三者有机地结合起来 在某种意义上说，心理学的发展已由认知 心理学进入到认知神经科学的时代
增益/放大倍数
• • • • 一般取 10 5 。 含Head Box 150倍。 VEOG与HEOG应减小。 分贝与放大倍数的关系：1dB = 20 log A， log A = dB/20 例如，A=10000，则可表示为80dB。 120dB，则 log A = 120/20 = 6，A=106
信息载体 信息提取与加工
信息源
信息获取
磁 共 振 结 构 像 功 能 像 扩 散 张 量 成 像 分 子 像
事件相关电位 脑 磁 图
光 学 成 像
磁 共 振 波 谱 偶极子定位
二、EEG与ERP的概念
（Electroencephalography, Event Related-Potentials）
研究目标
与 智能 的本质 与规律
认知心理学、人工智
阐 明认 知活动 的脑机制
认 知 神 经心 理 学、 认 神 经 心 理学 、 理 生 理 心 学 、生 理 心 理 学 、神 经 生物学、行为药理学 知 心 理 生理 学、 知 认 生 理 心 理学 、 知 神 认 经 生 物 学、 算 神 经 计 科学
ERP采样(sample) 分辨率及A/D转换原理
（1）A/D转换卡: 采样分辨率≥12 bit, 输入电压范围=±5V 12bit 意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095 个等级, 每等10V÷4095=2.442 mV. 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。 为提高脑电分辨率，根据上列公式，可以 [1] 提高采样分辨率 [2]在可能的范围内增大Ad 为此，应调节脑电基线接近零，以便进一步充分放大脑 电信号,又不致超出±5伏的采样范围
2．定义
• 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。
• 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
• 一般ERP仅指狭义定义
• 需要注意撤反应
3．特性
信噪比的提高值与叠加次数: S/N = n / n = n
例：原2mV / 10 mV = 0.5，叠加100次后 （2 mV ×100）/（10 mV × 100 ） = 200 mV / 100 mV = 2
噪音、干扰、伪迹的概念
噪音：自发电位、仪器的本底噪音。 干扰：50Hz 市电。 伪迹：被试的EOG、运动电位等。
Roediger：”传统的认知心理学家将其专
业领域与Neuro相联系是大有希望的“。
脑成像的概念
采用现代物理学与生物化学原理呈现大脑结构和
功能活动的多种技术手段
功能性磁共振成像 (fMRI) 正电子发射断层扫描 (PET) 脑电图 (EEG) 事件相关电位 (ERP) 脑磁图 (MEG) 单光子发射断层扫描 (SPECT)
本世纪生命科学走向：基因组蛋白组脑-认知-行为
认识脑从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和 最活跃的科学前沿，是摆在各国科学家面前的首要科 学使命，已成为全球性的研究热点
学科的比较
认知科学 神经科学 认知 神经科学
研 究人 类认知
研究人与动物神 经 系 统 (主 要 是 脑 )的 结 构 和 功 能
• 1929年Hans Berger 首先发表EEG论文，报告心 算可引起EEG的α节律减少
• 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
EEG与ERP的形成
• EEG节律主要是由皮质大量神经组织的突触 后电位同步总和所形成的。即来自突触后 电位 —胞体和树突的电位变化。 • ERP 除了皮质突触后电位以外，还含有皮 质下组织活动及轴突动作电位成分。
• EEG的形成原理
主要由大脑皮质锥体细胞顶树突的突触后电位 变化的总和形成。
• EEG：不断发生/自发；ERP：诱发才有 • EEG含有心理与生理信息，但非波形本身
• 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
EEG 分类
脑电节律的意义
• （alpha）波：8～13Hz，正常人清醒闭目时在 头皮枕部可以检测到。 • （beta）波：13～30Hz，在额部、顶部比较明 显。 • （delta）波：0.5～4Hz，常见于儿童和睡眠中 的成人 • （theta）波：4～8Hz，常见于婴幼儿和睡眠 中的成人 • 棘波（spikes）：波形如图8-1最下排，是癫痫 病人的特征性EEG改变 • 近来发现一种40Hz脑电与认知加工有关
• 心理生理学以生理指标为应变量，一般以人为被试。
• 生理心理学（physiological psychology）以生理变化 为自变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试 • 心理生理学是从生理心理学中分离出来的。同属认知 神经科学。 • 认知神经科学是在近十年才兴起的一门交叉学科，它 是当前脑科学界颇受关注的领域，ERP也是其中的重 要组成部分。
• 易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚 至成为直线。
共模抑制比
模拟滤波 （频带宽度）
• 减少50周干扰的能力 • 频响曲线：减少噪音 与干扰 • CMRR = Ad/Ac, – Ad：异相信号放大倍 • 时间常数
数 – Ac：同相信号放大倍 数。 Ac <1
• 频带宽度设定
例如， Ad=50000， Ac=1/20，则CMRR = 106 = 120 dB
1999年美国麻省理工学院出版《Mind and
Brain Sciences in the 21st Century》，作者们 的共识
Smith： “我预期在今后几十年内，认知心
理学将沿着神经科学的方向发展。认知心 理学专业的学生将必须把脑—认知关系的 学习作为必修课，就象他们现在学习数学 模型和统计学一样” 。
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
内
容
认知神经科学与脑成像
EEG与ERP的概念
ERP的技术原理
ERP的主要成分
一、认知神经科学 与脑成像
人脑是由上千亿个神经元组成的复杂巨系统。它为人 类提供了知觉、运动、注意、学习、记忆、思维、语 言、情感、意识等最重要的高级脑功能和认知行为 脑-认知-行为的关系是人类在认识自身的过程中必须 解决的核心问题。它将对人类理解自然和自身、增进 脑和身心健康、发展全新的脑智能信息系统及提高全 民族的知识创新能力作出重要贡献
ERP的定义
1．名词来源
Event-Related Brain Potentials = Event-Related Potentials EP = Evoked Brain Potentials = Evoked Potentials 计算机平均/平均诱发电位: Average Evoked Potentials
• 为了增大放大倍数Ad， 应调节脑电基线接近零 ，以便进一步充分放大 脑电信号,又不致超出 ±5伏的采样范围 • 调节脑电基线接近零可 防止不必要的失真。例 如脑电20μV，基线200 μV，共220μV，放大 30000倍后脑电成为 6.6V，溢出的1.6V被削顶 失真。若基线为0，则 20μV放大30000倍为 0.6V，正常。
频率响应曲线
放大倍数 Ad
0.7
FL
Fh
频率Hz
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
(2) 时间常数：TC = 1/（2πfL），fL为低端频响。
低端频响 = 高通(high-pass)值
高端频响 = 低通(low-pass)值。
(3) 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。
（4）易犯错误： ① off-line 进行不必要的数字滤波(digital filter)。 ② on-line 进行陷波(Notch)。 ③ 低端不够低。
时间常数对波形的影响
若TC = 10，则 F L = 1 / 2πTC = 1/62.8 = 0.0159 Hz 若TC = 1，则 F L = 1 / 2πTC = 1/6.28 = 0.159 Hz 若F L = 0.01 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.0628 = 15.9 若F L = 0.05 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.314 = 3.18 若F L = 0.1 Hz，则 TC = 1 / 2πF L = 1/0.628 = 1.59 ERP晚成分一般应取 F L = 0.01 Hz，最多取0.05，见上图。
光学成像 也包括传统的X光放射影像和超声影像技术
脑成像发展的意义
• 脑成像作为认知神经科学研究最为主要的技术 手段，使人类有史以来第一次能直接观察到大 脑的心理过程和认知活动，有如研究脑功能的 “显微镜”和“望远镜”。 • 在国际著名的大学，神经科学、脑科学、认知 科学、以及心理学研究机构，无一例外地拥有 脑成像研究中心或实验室，中国科学院也建立 了中国第一个拥有3T fMRI与128导ERP系统的 大型脑成像研究基地
ERP数据提取过程
EEG EOG 放大 模滤 A/D 转 换 叠加 排伪 数滤 存盘 总 平 均 测量 绘图 统计
光盘 记录 (离线式)
电生理放大原理
• 增益(Gain, 放大倍数Amplification) • 共模抑制比(Common model rejection ratio, CMRR) • 模拟滤波（设定频带宽度）
不高
ERP论文发表量
60s: 1000 70s: 2000 80s: 4000 90s: 5000 00s: 6000
三、ERP的技术原理
EEG对ERP的淹没与叠加基本原理
EEG对ERP的淹没与叠加基本原理
计算机不设臵负值，只有正值，波的低谷也为正 值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。
ERP的优劣
• 无创性、时间分辨率 高 — 便于与RT 配合进 行认知过程研究;空间分 辨率128导约为3mm • 认知可分为认知过程和 认知状态，过程指的就 是时间过程 • 设备简单，对环境要求 • 妨碍ERP提高空间分辨 率的原因
1. 颅骨不匀且有个体差 异
2. 容积导体效应
3. 电场封闭
（1）淹没：约2— 10 微伏 （2）两个恒定：潜伏 期、波形。
4．出现
• 1947年Dawson 首次 报道用照相叠加技术 记录人体EP • 1951年Dawson 首次 介绍EP平均技术，开 创了神经电生理学的 新时代
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ERP的产生与发展
• 1875年Caton等首先发现脑的自发电活动
• 1924年Hans Berger 首次记录EEG
例如, 有5μV的脑电信号.
若基线为15μV,
则处于20μV的位臵 最多放大250,000倍
因为20μV×250,000=5V, 已达极限值.
若基线为0μV, 则处于5μV的位臵 最多放大1,000,000倍 因为5μV×1,000,000=5V, 才达极限值.
• 只有当偶极子源具有开放型电场时，才能 被远距离记录到。简单地说，当脑组织中 神经元的排列方向一致时（如皮质第3、5 层的锥体细胞），其同步发放所形成的电 场即是开放型电场，此时神经元电场相加 总合，可在颅外记录到相应的电位。
ERP的学术位置
• 属于心理生理学（psychophysiology）范畴
学科分支
能 ，语 言 学 、发 展 心 理 学 、哲 学 、人 类 学 和 神 经科学
特
点
跨学科 行为水平
跨学科 多层次
跨学科 多层次
1 m 10 cm 1 cm
全脑
系统
脑区 网络 神经元 突触 分子
1 mm
100 mm 1 mm
1 A
认知神经科学
认知神经科学（Cognitive Neuroscience） 是阐明认知活动的心理过程和脑机制的科 学；换言之，是研究脑是如何创造精神的 认知神经科学的研究模式是将行为、认知 过程、脑机制三者有机地结合起来 在某种意义上说，心理学的发展已由认知 心理学进入到认知神经科学的时代
增益/放大倍数
• • • • 一般取 10 5 。 含Head Box 150倍。 VEOG与HEOG应减小。 分贝与放大倍数的关系：1dB = 20 log A， log A = dB/20 例如，A=10000，则可表示为80dB。 120dB，则 log A = 120/20 = 6，A=106
信息载体 信息提取与加工
信息源
信息获取
磁 共 振 结 构 像 功 能 像 扩 散 张 量 成 像 分 子 像
事件相关电位 脑 磁 图
光 学 成 像
磁 共 振 波 谱 偶极子定位
二、EEG与ERP的概念
（Electroencephalography, Event Related-Potentials）
研究目标
与 智能 的本质 与规律
认知心理学、人工智
阐 明认 知活动 的脑机制
认 知 神 经心 理 学、 认 神 经 心 理学 、 理 生 理 心 学 、生 理 心 理 学 、神 经 生物学、行为药理学 知 心 理 生理 学、 知 认 生 理 心 理学 、 知 神 认 经 生 物 学、 算 神 经 计 科学
ERP采样(sample) 分辨率及A/D转换原理
（1）A/D转换卡: 采样分辨率≥12 bit, 输入电压范围=±5V 12bit 意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095 个等级, 每等10V÷4095=2.442 mV. 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。 为提高脑电分辨率，根据上列公式，可以 [1] 提高采样分辨率 [2]在可能的范围内增大Ad 为此，应调节脑电基线接近零，以便进一步充分放大脑 电信号,又不致超出±5伏的采样范围
2．定义
• 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。
• 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
• 一般ERP仅指狭义定义
• 需要注意撤反应
3．特性
信噪比的提高值与叠加次数: S/N = n / n = n
例：原2mV / 10 mV = 0.5，叠加100次后 （2 mV ×100）/（10 mV × 100 ） = 200 mV / 100 mV = 2
噪音、干扰、伪迹的概念
噪音：自发电位、仪器的本底噪音。 干扰：50Hz 市电。 伪迹：被试的EOG、运动电位等。
Roediger：”传统的认知心理学家将其专
业领域与Neuro相联系是大有希望的“。
脑成像的概念
采用现代物理学与生物化学原理呈现大脑结构和
功能活动的多种技术手段
功能性磁共振成像 (fMRI) 正电子发射断层扫描 (PET) 脑电图 (EEG) 事件相关电位 (ERP) 脑磁图 (MEG) 单光子发射断层扫描 (SPECT)
本世纪生命科学走向：基因组蛋白组脑-认知-行为
认识脑从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和 最活跃的科学前沿，是摆在各国科学家面前的首要科 学使命，已成为全球性的研究热点
学科的比较
认知科学 神经科学 认知 神经科学
研 究人 类认知
研究人与动物神 经 系 统 (主 要 是 脑 )的 结 构 和 功 能
• 1929年Hans Berger 首先发表EEG论文，报告心 算可引起EEG的α节律减少
• 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
EEG与ERP的形成
• EEG节律主要是由皮质大量神经组织的突触 后电位同步总和所形成的。即来自突触后 电位 —胞体和树突的电位变化。 • ERP 除了皮质突触后电位以外，还含有皮 质下组织活动及轴突动作电位成分。
• EEG的形成原理
主要由大脑皮质锥体细胞顶树突的突触后电位 变化的总和形成。
• EEG：不断发生/自发；ERP：诱发才有 • EEG含有心理与生理信息，但非波形本身
• 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
EEG 分类
脑电节律的意义
• （alpha）波：8～13Hz，正常人清醒闭目时在 头皮枕部可以检测到。 • （beta）波：13～30Hz，在额部、顶部比较明 显。 • （delta）波：0.5～4Hz，常见于儿童和睡眠中 的成人 • （theta）波：4～8Hz，常见于婴幼儿和睡眠 中的成人 • 棘波（spikes）：波形如图8-1最下排，是癫痫 病人的特征性EEG改变 • 近来发现一种40Hz脑电与认知加工有关
• 心理生理学以生理指标为应变量，一般以人为被试。
• 生理心理学（physiological psychology）以生理变化 为自变量，以心理因素为应变量，一般以动物为被试 • 心理生理学是从生理心理学中分离出来的。同属认知 神经科学。 • 认知神经科学是在近十年才兴起的一门交叉学科，它 是当前脑科学界颇受关注的领域，ERP也是其中的重 要组成部分。
• 易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚 至成为直线。
共模抑制比
模拟滤波 （频带宽度）
• 减少50周干扰的能力 • 频响曲线：减少噪音 与干扰 • CMRR = Ad/Ac, – Ad：异相信号放大倍 • 时间常数
数 – Ac：同相信号放大倍 数。 Ac <1
• 频带宽度设定
例如， Ad=50000， Ac=1/20，则CMRR = 106 = 120 dB
1999年美国麻省理工学院出版《Mind and
Brain Sciences in the 21st Century》，作者们 的共识
Smith： “我预期在今后几十年内，认知心
理学将沿着神经科学的方向发展。认知心 理学专业的学生将必须把脑—认知关系的 学习作为必修课，就象他们现在学习数学 模型和统计学一样” 。