事件相关脑电位技术杨波基本概念脑电图脑电图EEG

事件相关脑电位技术

杨波

第一节基本概念

一、脑电图

1．脑电图（EEG）是借助电极从头皮连续记录的交流型电活动。

2．EEG与人体的意识水平也密切相关：当大脑活动增加时，EEG节律增高而波幅降低；在醒闭目的假寐状态下，a波出现；在浅睡眠状态，EEG节律逐渐减慢；当睡眠加深，眼动加快—快速眼动睡眠（REM sleep）；在深度睡眠中，以波为主；EEG消失是诊断脑死亡的最主要指标。

二、事件相关脑电位

1．事件相关脑电位（ERP）：

（1）是与实际刺激或预期刺激（声、光、电）有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波。

（2）脑电变化十分微弱（0．1 -20 A V），掩埋在自发脑电位（波幅范围士100 tLV，其频率范围在40 Hz 左右）中难以观察，但利用诱发电位固定的锁时关系，经过计算机的叠加处理，则可以提取出ERP成分。

2．ERP的平均叠加：

在反复呈现相同刺激的过程中，与刺激有锁时关系的、时间和方向上一致的电位活动逐渐增大，而与刺激无锁时关系的随机的背景电活动则相互抵消，逐渐减小。

3．电压放大倍数：

放大倍数又称增益。电压放大倍数一般是指对异相信号的电压放大倍数，其数值常用分贝（dB）表示。

4．时间常数：

（1）时间常数（TC）是对频带宽度低端频率响应的描述方式。

（2）时间常数的设定数值直接影响ERP波形是否失真。

（3）各电生理信号常用的时间常数为：心电时间常数（ECG）1 -2 s，脑电（EEG）0.3s，肌电（EMG ）0.1s，神经动作电位0.05s

5．频带宽度：

（1）任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行正常放大，超过其频率范围的信号（即频率过高或频率过低的信号）经过放大器后放大倍数就会降低甚至失真。放大器的这个频率范围称为频带宽度，用以描述放大器频带宽度的曲线称为频率响应曲线。

（2）ERP使用的放大器的频带宽度是可以调节的。

6．共模抑制比

（1）共模抑制比（CMRR）又称辨差比、辨别比，它定义为放大器对异相信号的放大倍数Ad和对共模信号的放大倍数Ac 之比。

（2）共模抑制比是放大器对共模信号抑制能力的指标。

第二节ERP 的基本技术

一、刺激材料与刺激程序

1．刺激物分类

（1）视觉刺激：

分类：非图形刺激；图形刺激。

参数：视角；亮度；照度；对比度

（2）听觉刺激：

分类：纯音；短声；白噪声；语音

参数：频率；声压级

（3）体感刺激。指人体所能承受的微弱脉冲电流。

2．刺激序列

（1）刺激呈现时间：

（a）刺激呈现时间长度与任务难度成反比

（b）当呈现时间短到一定程度，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

（c）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，二是利用相减的办法。

（2）刺激间隔：SOA：从起点到起点；ISI：从止点到起点。在确定刺激间隔应注意：（a）短间隔将导致ERP成分，特别是早期成分的重叠；

（b）预留足够被试完成作业的反应时间；

（c）间隔过长可能浪费硬盘空间，并延长不必要的实验时间；

（d）刺激间隔与任务难度成反比。

（3）重叠成分的消除：

（a）高通滤波增加可以减弱ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。

（b）低通滤波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fitter 法。

3．实验模式

（1）Oddball 模式：

（a）Oddball实验模式是指采用两种或多种不同的声音或图像，不同的刺激持续交替呈现，出现的概率显著不同，让被试对偏差刺激进行操作反应。

（b）Oddball 模式是产生P300，MMN 等与刺激概率有关的ERP 成分中，常用的经典实验模式。

（c）Oddball 模式又分若干亚类：两种刺激物；同样两种刺激物；三种刺激物。

（2）Go- Nogo 模式：

（a）Go- Nogo 模式：标准刺激与偏差刺激之间概率相等，需要被试反应的刺激叫做Go 刺激，不需被试反应的刺激叫做Nogo 刺激。

（b）该模式的特点是排除了刺激概率对ERP的影响，节省了实验时间，这是它突出的优点；但也丢掉了因大、小概率差异而产生的ERP数据。

（3）视觉空间注意的经典模式：

（a）经典视觉注意的实验范式：闪光随机呈现于左右视野，让被试注意某一侧而忽视另一侧。

（b）当被试注意视野左侧，而白色光标也出现左侧视野时，刺激物诱发的P1 与N1 成分比注意右侧视野的条件明显增大。

（c）在以上实验条件下，发现在P1、N1 的前面还有一个小成分C1，C1在注意与忽视条件下其波幅无明显改变。

（4）记忆的经典模式：

（a）直接或外显再认实验：

◆经典的再认实验范式：首先呈现一组项目，被试无需反应；其中一半在随后的一组中重复呈现，被试对重复出现的项目按键反应。

◆连续再认实验：呈现的项目中，一半是上一组曾经出现过的，另一半则是下一组将

要出现的，被试分别用左右手按键。

◆连续再认实验范式与传统到记忆再认范式不同，学习与测验阶段混合以便再次呈现项目时为正负之间的转换，并且记忆负荷在量上是连续增加的。

（b）间接或内隐再认实验：

◆常见的一种实验范式为混合呈现词与非词，被试的任务是识别词与非词。

◆另一种范式是对某种特定含义的词反应。

◆实验中被试均不对重复出现的字词反应，因而这种记忆是间接的或内隐的。

二、脑电数据的采集与记录

1．电极导联

（1）将头皮上的一个电极的电位设置为零，这个电极称为参考电极。

（2）另外一个或多个电极与参考电极的电位差即是该电极的电位值，这些电极叫做记录电极。

（3）采用一个公共参考电极与多个记录电极的方法叫单极导联法，脑电记录常用此法。

（4）记录两个点之间的相对电位差，称为双极导联法。

2．记录电极安放

（1）国际脑电图学会在40 多年前制定了全球统一的10-20 国际脑电记录系统沿用至今。

（2）矢状线：从鼻根至枕外隆凸的连线，又称中线。从前往后标出5个记录点：Fpz，Fz，

（3）Cz，Pz 和Oz，Fpz 与Oz 各占中线全长的1006，其余3点各占20%。

（4）冠状线：两外耳道之间的连线。从左至右也是5 个点：T3，C3，CZ，C4和Too 外侧的

（5）T3 与T4 占10%，其余 3 点各占20％。CZ 是矢状线与冠状线的交点，因而常作为基准点。

（6）为美国脑电图学会（1991）推荐的标准电极点。

3．记录参数

（1）分析时间与基线：根据实验模式和研究目的设定分析时间，一般经典的ERP 分析多在1000 ms 之内。刺激发生前的基线常设为100-200ms．

（2）频带宽度：使其仅够放大拟研究的ERP信号，落在频带外的噪声与干扰信号则不被放大，达到排除目的。频带宽度一般为0．01，0．05或0．1-40，60或100 Hz．（3）伪迹的排除与校正：眼电是最为常见的伪迹，目前多对其校正，以免丢失过多的脑电数据。

（4）皮肤阻抗<5 k2，参考点的皮肤阻抗尤为重要。

（5）采样频率与时间分辨率成正比，例如250 Hz 的采样频率，时间分辨率为 4 ms．

三、ERP数据处理与分析

1．波形平均与叠加步骤

（1）提取并打开连续脑电文件。

（2）合并任务数据。须保证实验过程被完整保存。

（3）眼电伪迹校正。

（4）对脑电分段：按照预设的“分析时间”，以刺激物发生为起点，对连续记录的EEG 进行分段。

（5）滤波：排除50 Hz干扰，以及其他伪迹。

（6）基线校正：基线校正的目的是在当前波形文件中校正DC 偏差。

（7）排除伪迹。