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1、认知神经电生理学 Cognitive Electrophysiology,赵 仑,It is an exciting time for studying human cognition. - Picton, Alain, & McIntosh,The theatre of the mind: Physiological studies of the human frontal lobes. In: Principles of Frontal Lobe Function, Stuss & Knight, 2nd, 2002,ERPs及其神经电生理学基础,大脑皮层的基本构造 EEG基本知识 ERP
2、s的概念和特点 ERPs的形成机制,100160亿神经细胞、100万亿个突触以及比其更多10倍的胶质细胞,皮层细胞分层,1、分子层：内为水平细胞 2、外颗粒层：小锥体细胞 3、锥体细胞层：中、大型 锥体细胞 4、内颗粒层：小星形细胞 5、节细胞层：大锥体细胞 6、多形细胞层：梭状细胞 角状细胞,大脑皮层分区,EEG基本知识,产生基本原理 构成脑电自动节律的主要是锥体细胞，尤其是深层的大锥体细胞。大锥体细胞具有形成有效电场的特定条件： 细胞排列井然有序，其顶树突更是平行并列；顶树突长，其实体表面积比细胞体大约10倍以上，接触面积大为增加；顶树突较粗，具有较低的阻抗。 在广阔表面积上的众多突触点的
3、电活动，若是方向一致而且阻抗又较低的话，就容易被总和成为一个有效电场，这时，即可记录到一个综合性的突触后电位，连续不断的综合性突触后电位即是脑电波的主体电活动。,EEG基本特征 用快的送纸速度记录下来的脑电图一般呈正弦波样外观，周期、振幅、位相称为脑电图的基本特征，也是规定放电团节律性的波形的重要因索。,基 线,振幅,周期,脑电位相图,180度 （位相倒转）,90度,EEG分类,波 波 波 中间快波 波 波,Schwab频率分类,0.5 3Hz 4 7Hz 8 13Hz 14 17Hz 18 30Hz 31Hz以上,慢波,快波,-脑电图：顶、枕 大多数 -脑电图： 6% 全部导联 额、中央区
4、平坦脑电图：10% 不规则脑电图,R. Jung 图形分类,影响脑电图的各种因素 生命过程中，在整个机体特别是神经系统发生的全部变化都能反映在脑电图上。 年龄 个体差异和年龄差异 精神活动 外界刺激 意识变化 体内生化学改变 脑部疾病,与发育情况和体制特点有关,一过性、可逆性的生理变化,病理变化（棘波、慢波等）,成人正常脑电图的主要特征 1由波和快波组成，慢波只有少数、散在性波(占10 15以下) 。 2波和快波显示正常分布，即波主要分布于枕、顶区 ，快波于额、额前区。 3左右对称部的波幅差一般不超过20。 4左右对称部的频率差异不超过10。 5波在睁眼、感觉刺激、精神话动时有反应(衰减)。,
5、当进行ERPs实验时，要密切关注被试脑电的特征，一方面大致判断被试的健康情况，一方面可以对实验过程中被试的反应或实验的可靠程度（导电膏的蔓延）进行判断。,国际10/20安装系统,矢状线,脑电记录电极排列,国际10/10安装系统,记录电极,参考电极 （零位点的选择）,接地电极,电位差,基本电极,EEG,单极导联,一个参考电极，多个记录电极,参考电极的选择：耳垂、乳突、鼻尖,单极导联的优点：大致记录脑电变化的绝对值,单极导联的缺点：参考电极不是绝对的零电位点,电极导联,双极导联,EOG的记录与剔除,电极导联,脑电记录伪迹,肌电伪迹（Muscle） 50周波(50 Cycle) 眼动(Eye Mov
6、ement)伪迹 血管(Vascular) 出汗(Sweating) 电极故障(Electrole pop) 电极移动(Electrole Movement) 其他：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。,伪迹 （Artifacts）,脑电描记中不起源于脑部的电活动干扰。,这种类型的干扰可表现 “尖头脉冲” ，通常因持续时间非常短暂而被识别。肌电伪迹常表现为连续性的各种频率的尖头脉冲，还可表现为以极高额率密集爆发的尖头脉冲，这时无法分辨出各自分开的尖头脉冲信号。,头皮下肌肉收缩形成的伪迹,肌电伪迹,眼睛好象一个充电的电池，其角膜表面
7、一侧为阳性(十)，视网膜一侧为阴性()。这个电池有很大的电压，因此眼球运动时，就会在脑电图上产生明显的偏转。,眼电（动）伪迹,高电阻引起。高电阻是因为头皮上未被清除的油脂、脏污或 死亡皮肤所引起。高电阻可以检出任何种类的伪迹，而不仅仅是50周一种。,50周波,一般都是阳性的尖头脉冲。,电极故障,任何电极在头皮上移动，甚至是轻微的移动引起 。,电极移动,心电伪迹 心电图可在身体的几乎任何部位检出，并可能扩展到头部，特别是在电极Al (LE)和A2(RE) 。,血管,脉搏引起 电极位于一个随心脏跳动而搏动的血管附近。,引起非常缓慢的波动。,出汗,Event-related potentials E
8、vent-related brain potentials 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，在脑区引起的电位变化。 * 刺激缺失,ERP 的概念和特点,EEG对ERPs的淹没 叠加平均基本原理 ERPs波形恒定 潜伏期恒定 叠加n次：信噪比提高n 倍 例如： ERPs=0.5EEG n=100 100ERP 10EEG ERPs=5EEG,ERPs提取的基本原理,潜伏期：早、中、晚成份，慢波 命名：正P，负N，潜伏期 成份：外源性成份、内源性成份和纯心理波,外源性 内源性 P1、N1、P2 N2、P3复合波 MMN、CNV 受刺激的物理性质的影响？
9、,ERPs成分,An Example: ERPs components elicited by infrequent target auditory stimuli,The sensory components (with a latency of less than 50 ms) The perception and cognition components (latency exceeding 50 ms) P1, N1, P2, N2, P3, SW,1、ERPs是一种特殊的诱发电位，属于近场电位（near- field potentials - 记录电极位置距活动的神经结构较 近）；
10、2、一般要求被试实验时在一定程度上参与实验； 3、刺激的性质、内容和编排多样，目的是启动被试认 知过程的参与； 4、ERPs成分除受物理刺激特性影响的“外源性成分”， 还包括“内源性成分”，ERPs不像普通诱发电位记录 神经系统对刺激本身产生的反应，而是大脑对刺激 带来的信息引起的反应，反映的是认知过程中大脑 的神经电生理改变。,ERPs与EP的区别,ERPs & EP,听觉,BAEP,MLR,ERP,视觉,EP,ERP,P1,C1,Note： EP与ERP密切相关，早期ERP成分与认知的关系要求我们对EP的基本特征要非常熟悉。 举例： 听觉ERP P20-50注意效应 & 听觉MLR 视觉E
11、RP 早期注意效应（P1）,ERP实验设计及数据记录分析,刺激物的分类,刺 激 物 分 类,体 感,听 觉,视 觉,非图形,图形,闪光,几何图形、文字、面孔、自然景观,纯音、短声、白噪声、动物叫声,语音,自然环境声,微弱脉冲电流,刺 激 参 数,体 感,听 觉,视 觉,对比度 亮度 视角,频率 声压级 上升/下降时间,0.10.5ms， 15Hz，50uV,刺激呈现时间,刺激间隔 SOA、ISI,刺激参数,刺激呈现概率,三大要素,刺激编排实验范式,Oddball,Go/Nogo,跨通道研究模式,运动知觉（演示）,记忆,语言,特定认知实验模式,非特定认知实验模式,心算,连续心算 选择心算 简单心
12、算,Match-Mismatch，Prime-Probe,(Roberto Caldara, et al, 2004),“撤反应”,刺激消失产生的诱发电位。,实验设计时，为不影响ERP晚成分的记录，刺激的持续时间最好短一些，在拟观察的成分出现以前使刺激消失，或者延长刺激持续时间，在拟观察的晚成分出现后，再使刺激消失。,ERP记录参考电极问题 单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位，各导的电位都是与它相减的结果。理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位，但是人体是一个容积导体，生物电无处不在，无时不变，这样的部位是不存在的。在过去生物电研究的100年间，关于参考电极位置的争论从
13、来没有停止过，是目前仍无结论的问题。参考电极的设置显然对数据有明显影响，因此这是一个重要的问题。这里仅简单讨论几种目前常用的脑电参考电极设置。 （一）双耳参考：将双耳乳突或耳垂连接作参考电极。由于乳突或耳垂的脑电一般较小，将其连接所得的平均电位作参考不会造成脑的两半球电位关系的失真，故已成为经典的方法。缺点是不能测量乳突附近的脑电变化，如MMN。 方法革新演示单侧参考后参考电极的转换,（二）鼻尖参考：将参考电极放在鼻尖。由于双耳参考法不能观察乳突附近脑源的活动，而有的脑电如听觉MMN的一个源恰在乳突附近，所以在研究源位于乳突附近的脑电活动时，常常将参考电极放置在鼻尖。 （三）平均参考：在用普通
14、参考电极记录EEG后，求出全部记录点的平均值，以各记录值减去该平均值后的差值作为实际的脑电数据。其目的在于实现参考电极的电位恒定或为零。 依据是，假设人脑和颅骨是均匀的圆球体，球体表面均匀放置足够的记录电极，偶极子位于球心。 该法的优点是可以进行某些脑电求源的逆运算。其缺点在于它是基于理想的头颅条件和假设的偶极子计算出来的，与真实情况相差很大，因此它所带来的误差是不容忽视的。,采样率 250、500、1000Hz；10000Hz20000Hz 频带宽度 低端频响高通（High-pass） 高端频响低通（Low-pass） 时间常数（TC，time constant） TC1/（2 fL） 时间
15、常数的设定数值直接影响ERPs波形是否失真，至关重要。,信号记录重要概念,TC对ERPs波形的影响,被试的选择及注意事项,正常被试的研究要注意被试的性别、社会背景、受教育情况等。另外，还要注意利手问题，尤其在需要被试进行按键或拨开关的作业任务中。,正常（大学生？）,临床病人,儿童,特因条件,ERP 实验过程 （SynAmps & SynAmps 2 ),Setup 文件的创建 脑电记录参数的设置（操作讲解）,EEG记录前的准备,1、被试填写“被试情况表格” ； 2、关于洗头（使用中性洗头膏）； 3、使被试了解实验的科学性和无损伤性； 4、详细讲解指导语； 5、提醒实验过程中应注意的问题，如放松
16、、少动等。需要说明的是，要告诉被试实验中间可以休息，但要在实验前上厕所；考虑到限制眨眼导致的伪迹可能更大，可以要求被试在自然放松的前提下，尽量少眨眼，但不能限制被试眨眼。,安放电极,EEG 预记录,脑电基本波形是否正常、脑电基线是否平稳、有无干扰； 让被试进行眼睛动作（闭眼睁眼、转动眼球、水平扫视）； 如果记录了心电，需要观察心电的基本波形是否正常、节律是否稳定以及心跳周期； 如果记录了肌电，需要让被试进行按键反应，以观察肌电记录是否正常； 让被试作充分的练习，以及刺激的产生和按键反应是否正确等。,伪迹的剔除,密切监测非脑电伪迹 实验前告知被试关于伪迹的注意事项以减少伪迹 确定伪迹的剔除标准
17、EOG的去除(相关法) PCA/ICA SVD & Spatial Filter,基本过程（操作讲解）,1. 合并行为数据和脑电预览 2. 去除眼电、心电、肌电伪迹 3. 脑电分段 4. 基线校正 5. 去除伪迹 6. 叠加平均 7. 平滑化处理（Smooth data，根据具体情况具体分析）/ 数字滤波（根据具体情况有选择地进行） 8. 总平均,EEG/ERP 离线分析,伪迹剔除（操作讲解） 相关法 PCA/ICA SVD,平滑化处理（操作讲解） 数字滤波的应用（操作讲解）,Note：每个步骤要根据具体的实验设计和要求去设置参数，要理解基本的参数设置原理，以满足不同的研究目的，而不能“傻瓜”
18、分析。,FP1*,FP2*,F7*,F5*,F3*,FZ*,F4*,F6*,F8*,M1*,T3*,C5*,C3*,C1*,CZ*,C2*,C4*,C6*,T4*,M2*,T5*,P5*,P3*,PZ*,P4*,P6*,T6*,O1*,OZ*,O2*,HEOG,VEOG,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Stimulus Artifact Removal,ms,-100.0,0.0,100.0,200.0,300.0,400.0,500.0,600.0,V,0.0,7.5,15.0,22.5,30.0,37.5,ms,-100.0,0.0,100.0,200.0,300.0,
19、400.0,500.0,600.0,V,0.0,2.5,5.0,7.5,10.0,MGFP,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Stimulus Artifact Removal,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Select PCAICA Function,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Extend Cursors to Ends of Epoch,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Switch from PCA to ICA,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Deselect the First C
20、omponent,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Apply Filter,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Examine Results,FP1*,FP2*,F7*,F5*,F3*,FZ*,F4*,F6*,F8*,M1*,T3*,C5*,C3*,C1*,CZ*,C2*,C4*,C6*,T4*,M2*,T5*,P5*,P3*,PZ*,P4*,P6*,T6*,O1*,OZ*,O2*,HEOG,VEOG,T6*,HEOG,ICA REDUCTION OF ARTIFACT Apply 30 Hz Low Pass Filter,UNIVERSITY OF C
21、ALIFORNIA BERKELEY,EEG Recorded At,Varian 4T (f)MRI,UC BERKELEY,RAW EEG Recorded In Varian 4T (f)MRI,UC BERKELEY,EPI SEQUENCE EXTRACTED FROM EEG,UC BERKELEY,BALLISTOCARDIOGRAM EXTRACTION,UC BERKELEY,Note:,The initial encoding of information (e.g., emotion; EMMN - L Zhao, et al., 2006, 2007) may be r
22、elatively attentional resource-free but that top-down, controlled processes become involved as more time passes. fMRI methodology is unable to separate relatively fast versus slow encoding processes due to the slow time course of the hemodynamic response (e.g., Aguirre, et al, 1998; Miezin, et al, 2
23、000),Spatial Singular Value Decomposition (SVD) and Spatial Filtering for Artifact Extraction,Generate Averaged Artifact (e.g. eyeblink),Perform Spatial SVD Generate Correction LDR,Apply LDR as Spatial Filter To Reduce Artifact,UC BERKELEY,Visual Evoked Potentials Recorded During Sparse fMRI Sequenc
24、e (reverse checkboard),Visual Evoked Potentials Recorded at Electrode Oz,Visual Evoked Potentials Recorded During Sparse fMRI Sequence,Boundary Element Model Based on MNI* average MRI 3-shell head model Residual variance 6% - fMRI activation shown in white,ERP离线分析的几个重要问题,数字滤波（Digital Filter）的选择？,Zer
25、o Phase Shift Digital Filter,线性校正（Linear Detrend）的选择？,经验 伪迹识别,波形识别 技术难关，峰潜伏期、波形、头皮分布，文献、经验。 测量 波幅：基线波峰；峰峰 潜伏期：刺激起始峰顶点；始潜时 波幅反映大脑兴奋性高低，潜伏期反映神经活动与加工过程的速度和评价时间。,波形识别与测量,行为数据测量 反应时、正误率 反应时的重要性 （举例） 平均波幅测量 固定法/连续测量 具体法或间断法,ERN，error-related negativity Conflict control,（1）测量比较峰潜伏期、 始潜时、波幅 （2）波形的头皮分布 （3）定位
26、分析,Repeated measures ANOVAERPs研究主要比较不同条件下的成份差异。 脑区和电极的选择N170Word/Face/Object Pooling Electrodes （Montage 演示）,统计和结果分析,ERP时频分析,Basar 等（1984，1985）,time-frequency analysis,Band Analysis Evokedtime-phase locked Inducedtime-, non-phase locked ERD/ERS Event-related desynchronization Event-related synchroni
27、zation Coherence Analysis ,Neurophysiology must develop new ways to measure the activity of networks. This will probably involve correlational studies and attention to rhythms as well as to isolated potentials. - Picton, Alain, & McIntosh,VEP-2D frequency,VEP-2D,VEP-3D,脑电地形图,源分析,偶极子（Dipole） 是一对数值相等、
28、符号相反的电荷，彼此相隔一定距离时形成的体系。 ERPs成份的源 即脑内的偶极子。神经传导递质作用于突触后神经元受体的过程中产生的突触后电位导致了ERPs的产生(Luck,1998)。头皮电位的分布取决于电流偶极子的位置与方向。 源定位 可根据偶极子的数目、时间特征、位置和偶极子量等因素推导。 偶极子模型single/multiple dipole models,偶极子定位,电流密度（current density）可看作一定容积内的偶极子量 每个偶极子代表一定容积的电流密度,偶极子量与所代表的电流密度是成比例的。,电流密度,-200.0,-100.0,0.0,100.0,200.0,300.
29、0,400.0,500.0,600.0,700.0,800.0,0.0,-2.5,-5.0,2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,FZ,-200.0,-100.0,0.0,100.0,200.0,300.0,400.0,500.0,600.0,700.0,800.0,0.0,-2.5,-5.0,-7.5,-10.0,2.5,5.0,7.5,10.0,P4,Normal Depression,VPP,N170,Face Recognition,ERP溯源分析的相关问题,怎样确定用于溯源分析的时间范围？ 如何有效地使用PCA/ICA？ 什么情况下需要将某些ICA成分滤除？ 对自己的
30、数据，应该选择哪一种源重构模型最适当？ 如何判断得到的溯源结果是否真实？,McGurk Effect.ppt视听整合电流密度动态变化,ERPs 研究,成分研究,应用研究,CNV P300（P3a） N400？ MMN,特点及其影响因素,起源及产生机制,心理生理,临床应用,特因条件,功能评估,注意、记忆、语言加工、知觉、意识等,神经精神科、昏迷愈后、辅助诊断等,航空、航天、航海、恶劣环境条件等,驾驶疲劳、智能评估、音乐认知能力、健康评估等,ERPs的研究分类,Language Processing & Linguistics,Word Sentence Context Learning Sema
31、ntic Syntax Visual and auditory modality ,Mirror effect of Chinese word perception,反应时和正确率比较,(Y. Zheng, et al. submitted),ms,-200,1000,uV,15,-15,CPZ,-200,400,uV,5,-12.5,CB1,ms,Normal Mirror Mirror effect,N4,(Y. Zheng, et al. submitted),The differences between the MMNs elicited by comes and come reco
32、rded at FCz are shown for the experiments where these words were presented out of context (red curves) and in context (blue curves) The ungrammatical deviant stimulus elicited a larger MMN than the correct sentence at left-anterior recording sites and the cortical sources of the grammatical effects
33、revealed a main source in the left frontal cortex.,(Pulvermller & Shtyrov, 2003),Grammar can be processed automatically,N400,N400,Processing of incongruous mental calculation problems- An arithmetic N400 effect,(MICHAEL NIEDEGGEN, FRANK RSLER and KERSTIN JOST, 1999),Spoken Language Processing,ERPs &
34、 Frontal Lobes,儿童认知发展研究,P2,(Laurel J, et al. 2003 ),Effects of Musical Training on the Auditory Cortex in Children,(Laurel J, et al. 2003 ),Effects of Musical Training on the Auditory Cortex in Children,关于MMN（mismatch negativity),Traditional paradigm,新范式及其意义,Control：Deviant，Standard，Voice 1-3,Oddbal
35、l：Deviant，Standard,(THOMAS JACOBSEN and ERICH SCHRGER, 2001),(L. Zhao & J. Li, 2006),Visual MMN-Expression MMN,(L. Zhao & J. Li, 2006),(L. Zhao & J. Li, 2006),Oddball 1:5,Control 1:1:1:1:1,Is there pre-attentive memory-based expression MMN?,(L. Zhao, et al, 2007, Unpublished data),Black-Dev. (Sad);
36、Red-Con. (Sad); Blue-Stan. (Neutral).,Is there pre-attentive memory-based expression MMN?,Is there pre-attentive memory-based expression MMN?,(L. Zhao, et al, 2007, Unpublished data),Right Occipital Lobe,Left View Right View Back View,信息自动加工(?)的指标 视觉注意效应 听觉注意效应 朝向反应 整合、背景更新、决策加工 注意保持 813Hz、40Hz、60Hz
37、、90Hz,MMN P1/N1 P20-50/N1 N2b/P3a P3b CNV EEG,注意 & ERP/EEG,EEG（相干、同步、频谱） ERP（成分、脑区定位、偶极子和电流密度溯源）,The Medial Frontal Cortex and the Rapid Processing of Monetary Gains and Losses. William J. Gehring, Adrian R. Willoughby. 2002,FZ,The medial-frontal negativity (MFN),MFN,William J. Gehring, Adrian R. Wi
38、lloughby. 2002,神经精神疾病的认知功能障碍： 认知过程 认知功能 脑机制及其评估,用ERP研究神经精神疾病？,（1）对病例的选择和说明要详细，是否得到治疗，效果如何等，有利于结果的说明； （2）详细说明实验过程中被试的表现情况； （3）临床研究中对照组的选择要与实验组尽量匹配； （4）实验设计是生命，实验技术是根本； （6）设计的简单性、被试任务的完成性； （7）溯源分析不是必要的，基本波形分析（潜伏期、幅值、脑区分布）更重要； （8）个案研究的重要性。,临床ERP研究的注意事项,The patients after head injury may notice errors t
39、he Ne is not significantly different from normal but not be able to cope with them the Pe wave is significant reduced.,（Bentin S, et al, 1999）,Emotion & ERP,*解脱波 情绪研究的重要指标,Nogo N2/P3； ERN，error-related negativity,Conflict control,(BW Zhang, et al. 2006),Inhibiting Responses,(Yeung, et al. 2004),Ante
40、rior cingulate cortex,Monitoring of Errors,M. Falkenstein et al. : Biological Psychology 51 (2000) 87107,The error must be detected, the guilt or frustration must be acknowledged, and compensatory behavior must be initiated. Ne-notice errors Pe-cope with errors,情绪体验,P2 reflects the attention modulat
41、ion in early perceptual processing Late Positive Potential (LPP) indicates a processing that allocated the perceptual processing resources for sustained attentive processing,Theory and Question? Results?,How is the N170 modulated by facial expressions?,Does early face processing differ for different expressions?,N400 量词？ Face N4-Like component? ,T.W. Picton， S. Bentin， P. Berg， et. Al. 2000 Guidelines for using human event-related potentials to study cognition 魏景汉、罗跃嘉，2002 认知事件相关脑电位教程 赵仑，2004 ERP实验教程 ERP实验教程重要补遗,Thanks!,