第十五章 变量数据获得的认知神经科学范式

6.对ERP技术的评价
优势： 有极高的时间分辨率（几乎可以 达到实时） 造价低 不足： 脑定位的空间分辨率比较低，各 种定位算法可靠性仍要进一步证 实
有完全的无创性（对任何被试都 可以施测）
四、MEG基本原理
1.MEG基本原理
MEG的磁场主要就来源于大脑 皮质锥体细胞树突产生的电磁感 应 只要数个细胞同步活动即可产生 可探测的颅外信号 需要极为敏感的测量装置，并将 微弱的脑磁信号从众多背景噪音 中提取出来 设备的三个子系统 可靠的磁场屏蔽系统 灵敏的脑磁场测量装置 信息综合处理系统 事件相关磁场： 通过MEG叠加出来的与特定刺激时 间相对应的磁场变化
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应用于与评价
广泛应用于各种高等动物的脑功能研究中（灵 长类动物的视觉系统） 优点： 能在细胞水平上对神经活动进行具体的考察， 有极高的时间分辨率和空间分辨率 局限： 难以建立因果研究， 无法了解脑功能的整体机制， 创伤性较大
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如果一种行为依赖于某种脑结 构内部的信息加工， 那么该结构的损伤就会使相应 的行为出现障碍（认为脑损伤 是排除性的，那伤损那块能力）
Hale Waihona Puke Baidu
脑损伤技术的基本逻辑
脑损伤研究的个体差异问题
没有两种意外的脑损伤会一模 一样
虚拟脑损伤技术——透颅骨磁刺激仪TMS
透颅骨磁刺激仪是一种新型认知神经科学研 究技术。 研究者可选择性地干扰大脑皮层某一区域的 神经功能，通过比较受干扰时和正常时认知 行为的差异能够判断特定脑区与相关认知功 能之间的关系。 这种技术有良好的无创性和安全性，实验结 束后，不会产生任何不良的遗留后果，不需 要像传统脑损伤技术那样寻找病人
1
根据诱因 ERP可分为外源性成分、内源性成分、 中源性成分、纯心理成分
伴随性负变化 指在预备信号和命令信号 之间观察到的脑电的负向偏转
CNV
典型的ERP成分
PN
加工负波 反映了注意加工效应 （双耳分听）
ERP晚成分中第三个正波 大小与个体投入的 心理资源量成正比
P300
N400
峰潜伏期400ms的负波 与长时记忆中 语义信息的提取有关
失匹配负波 能反映人脑对信息 进行自动加工的ERP成分
MMN
4.ERP实验的基本逻辑和主要指标
（1）ERP成分 的参数
波形： 波形的识别主要指从一系列波形中
基本逻辑：设置条件1和条件2，分别得到ERP1 和ERP2，然后测量并比较二者在波形、潜伏期、 波幅和头皮分布上的差异，最后确定神经机制
判断有关成分，起定性分析作用
内源信号光学成像技术的原理 内源信号光学成像的应用和评价 近红外光学成像的原理
近红外光学成像的应用和评价
NIRS在人类脑功能研究中的应用是 从视觉皮层和简单运动功能成像开始 的 时间分辨率较高，可用于研究一些其 他方法无法检测的情况 造价低 局限性主要体现咋低空间分布率上 I
六、单细胞记录技术
二、功能性核磁共振成像术法fMRI
1.fMRI的基本原理
23º C MONDAY CLOUDY
物理方面与普通核磁共振基本相同，增加了回波平 面技术 生理方面中含氧量是关键因素
fMRI的物理原理
人体中富含的碳、氢、钾、钠等多数元素的原子核都 要自旋的特性。而原子核实带电的，所以它们的高速 旋转自然会在沿旋转轴的方向产生一个磁动量。 普通MRI成像的基本过程及相关机理
2.MEG的应用
临床诊断和定位研究 通过图片命名研究了人脑在言语理 解和言语生成方面的功能 深入分析单词识别过程的时间过程
3.对MEG的评价
局限：造价高 研究方面有限
五、光学成像技术
ISOI技术主要用于高等动物脑 功能柱水平的研究上 具有非常高的空间分辨率，价 低设备小 但无创性比较差 I
ERP数据的提取过程
在线记录阶段：包括EEG、EOG记录、 放大。模拟滤波和模数转换等过程 离线处理阶段：包括数据合并、排 除伪迹。叠加、总平均、绘图测量 和统计等一系列过程
ERP的叠加原理
ERP特性：波形恒定和潜伏期恒定 首先要求被试多次重复进行相同条件下的实 验，然后提取伴随着每个刺激出现的EEG波 段，并根据刺激呈现时刻将其排列起来，接 着再把EEG成分简单相加成一个总的波，最 后对总波形进行平均得到ERP
指由一些刺激快速呈现且需被试快速反应的实 验中，由于刺激间隔短，前一反应的ERP会与后 一反应的ERP部分重合
3.ERP的成分
根据波动方向 ERP可分为正波、负波
3
ERP中的每一种成分都反 应了一定脑区的神经活动。 某种成分在头皮的分布与 该成分脑机制的解刨学定 义有关
2
根据潜伏期 ERP可分为早、中、晚成分和晚波
1.ERP的基本原理
ERP及其对ERP的淹没
自发脑电位EEG：通过点击可在头皮上记 录到大量神经元被激活时引发的电位变化。 EEG复杂不规则，研究时需用叠加技术吧 特定心理诱发的电位从EEG中凸显出来。
又叫诱发电位，指给感觉系统或脑的某一部位施加或 撤销特定的刺激，在脑区引起的特定的电位变化。 ERP不能直接测量，要借助叠加技术才能提取出来
电极的导联
脑电仪所记录到的脑电波必须通过 两个电极之间的点位变化来测量
2.ERP的实验模式
oddball实验模式
有两种刺激物，大概率刺激胃标准刺激，小概 率刺激胃目标刺激。被试对目标刺激作按键反 应，要求小概率刺激不能连续出现。且概论值 不得高于30％
SUCCESS
波形重叠
有关刺激呈现的注意事项
要考虑到认知实验程序是否会引发ERP的撤反应 或导致波形重叠 撤反应：指在刺激呈现一段时间后消失时也 会产生诱发电位
2018/3/14
不足
TMS的干扰时效短 TMS技术在考察深层脑皮层区的功能上 也有较大的局限。因为TMS磁场的渗透 力有限，对深层脑结构的干扰作用比较 小，不易测到有干扰作用
4.fMRI研究的数据处理流程
空间标准化 图像重排
不同被试大脑形状大小存在很大差别， 空间平滑化 事先要对MRI图像进行标准化 指用一个校平影响函数来卷积数据， 其目的是以某一图像为参照， 通常用于增加数据的信躁比， 重新排列不同时间点上采集的图像 以减少被试间差异
指先使用一般线性模型对三维像素 进行数据建模 差异分析可以t检验，相关分析等
fMRI的成像信号来自脑组织的功能性变化， B 不需要注射追踪同位素
尽管能了解特定脑区的代谢活动与特定实验条 件有关，但无法得出因果结论 由于fMRI在特殊环境内实验，故不适合一部分 心理障碍患者
局限
C fMRI可提高脑结构和脑功能图像，可实现
各种特定效果的扫描
D 尽管贵，但临床价值高
三、事件相关电位技术
对PET的评价
使得认知神经科学技术范式在研究技术上取 得突破性进展。 局限：成像周期长，时间分辨率低
PET技术通过在血液中注射，放射性追踪 同位素。可检测出变化并形成图像
PET成像基本分析逻辑
首先分别得到实验条件和控制条件下的脑血流图像，要求控制条件除了不包括要 研究的实验因素外，其他方面尽可能与实验条件相同。 然后利用计算机软件将两种条件下的图像进行相减，所得的· PET图像就是要研究 的脑血流像
指对同一性质的任务在数量或程 度上进行系统地变化，进而考察 这种变化的效应的研究
fMRI的联结主义研究
核心任务：了解各激活脑区之间 是如何相互作用和联系在一起的 （与认知行为中的联结主义不同）
尽管 fMRI 的时间分辨率比 MRI 、 PET 有了提 高，但比ERP还有差距
优点
A fMRI成像的空间分辨率非常高
回波平面成像技术
fMRI的生理基础
BOLD效应与fMRI（由血氧水平的变化，进行功能性 成像） 灌注fMRI 其他生理效应与fMRI 弥散加权功能成像 光谱成像
2.fMRI研究的实验装置
由核磁共振扫描机，控制计算机、磁共振终端台、 后处理计算机等主要设备及投影机、背投屏幕。。。组成
功能性核磁共振成像术法fMRI
注重分析：从感觉信息到知觉和行为的中间过程和机制（信息加工范式）
认知过程脑机制的演技需要大量有关神经解剖学的知识，（如：正电子发射断层 扫描技术PET、功能性核磁共振成像技术fMRI） 传统的神经心理学和计算机科学的发展对认知神经科学的产生也做出了重要贡献 （布洛卡区的发现） 如今认知神经科学已经成为科学心理学汇总的主流范式，受到重视。
偶极子： 是有关ERP源定位的一个很有影 响的假说。所谓偶极子就是指一 对数值相等，符号相反的电荷彼 此相距一定距离时形成的传导体 认为ERP是由偶极子产生的。
综上所述，ERP可搜集以下信息： 根据潜伏期和波幅了解每种 认知或其他心理成分的激活 时间和强度 根据波成分的个数、波峰和 波谷的数量，判断一个实验 任务多色剂的心理成分的数 量或加工阶段的数量 根据电位在头皮的分布了解 某种心理成分的脑解剖定位
第十五章 变量数据获得的认知实验 心理技术范式
鄢婷婷
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目录
Part 1
认知神经科学研究范式简史
Part 2
脑成像技术
Part 3
脑损伤技术
Part 4
认知神经科学研究技术的融合
认知神经科学研究范式简史
认知神经科学是认知心理学和神经科学交叉发展的结果，二者的结合使直接考察 人类高级认知过程的脑机制成为可能。
统计分析
在上述分析基础上，将标准化的fMRI功能像 和MRI结构像重叠起来 得到完整的fMRI图像
图像叠合
5.fMRI的应用
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fMRI的定位研究
目的：判断哪一脑区对某一特定 的刺激作出反应，也就是说脑中 何处的神经元与特定任务所引収 的加工有关
参数fMRI研究
常用的认知神经科学实验技术范式 ——脑成像技术
1
2
14:00 18:00
08:00
正电子发射断层扫描数PET 功能性核磁共振fMRI 事件相关电位技术ERP
3
4
脑磁图技术MEG
光学成像技术 单细胞记录技术
5
22:00
6
一.PET技术
PET成像原理
大脑的神经元活动时会消耗氧和葡萄糖。 当某脑区被激活时，其血液量和含氧量、 葡萄糖量都会显著增加
√
（2）脑地形图和偶极子定位
5.ERP的应用
有关注意选择位置 的ERP研究
有关不同注意机制特殊 性的ERP研究
LOGO
The Coolest Design
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波幅：
基线到波峰之间的电位变化值
从波谷到波峰之间的电位变化幅度
潜伏期：
反映了特定信息加工的时间进程，
对揭示信息加工过程的内在机制 具有极其重要的意义
平均波幅的测量方法： 固定间隔法
脑地形图： 是指将放大的脑电信号与闹形态 结合起来，既可定量又可定性地 描述特定时间人脑各部位电位分 布情况的脑波图形 彩色的波幅地形图 等高线地形图 实际头形地形图
基本原理
用来记录一个或多个神经细胞电生理活动情 况的研究技术。 记录的是动作电位 将一个微电极插入大脑。。。可怕。。。使 点击断点足够解决神经细胞体的隔膜（相关 研究）
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3.fMRI研究的实验设计 Block设计
也叫区组设计（最传统），是指在实验过程中要求被试 在一个阶段持续完成一种任务， 而在另一阶段持续完成另一种实验任务， 两种阶段交替进行的设计
3.fMRI研究的实验设计 B事件相关设计ER-fMRI
指在使用高速fMRI的实验中，实验刺激可 随机呈现，通过数据处理可分离出 特定实验时间所对应脑激活图的设计方法 （提高了研究的精度和范围）
脑损伤技术——传统脑损伤技 术
脑损伤技术的基本假设
功能性模块化假设 解剖模块化假设 功能结构的一致性假设 缩减性假设
脑损伤研究的结果模式
单分离模式 两组被试，两种实验材料，被试 之间在一种任务上表现出差异的 结果模式 双分离模式 两组被试，两种实验材料，其 中一组被试在任务A上受到损害， 另一组在任务B上受到损害的结 果模式