ERP基本原理及其在认知神经科学中的应用

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余年才兴起的一门交叉学科，是脑科学 界颇受关注的领域，是心理学的新时代， ERP是其中的重要组 成部分。
认知神经科学的学科位置
个性心理特征 心理学 情绪 意志 心理过程
认知心理学
心理语言学 认知科学 人工智能 人工神经网络 神经脑科学
6、A/D转换速度（采样速度）―ERP的时间分辨率
ERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动 的测量，而不是像PET、fMRI、光成像那样只是对神经元代谢产 物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP 的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已 可达到微秒级。 实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波 ，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40μ s 。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率 ≤0.5ms。总采样频率=（频率/导）* 导数。减少导数则时间分 辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点
8、ERP的优势:
（1）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，达到了现代水平。是 心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。 （2）认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过 程。 （3）设备相对简单，对环境的要求不高。
9、 妨碍ERP提高空间分辨率的原因：
生理学
……….
……….
二、认知神经科学方法之比较
三、作用举例
（一）关于注意选择性发生时程的 ERP证据
1、两耳纯音各一不同。快速（约6次/秒）随 机呈现。 2、两项实验，每项只记一只耳的纯音数。 3、图1、2 的早成分不受注意影响。
4、图3、4 的中成分（涂黑）受注意影响。
5、图5为差异波P20-50 （涂黑），相当早。 6、 ERP与MEG（脑磁图）联合记录结果发现 P25-50发生在听皮质，很可能在初级听皮 质。 7、结论：注意选择性发生在听觉加工的早期 阶段。
（2）非提示对照实验: ―提示”字为无关字, 即与目标字形音义皆异,目标字联想前缺少音与 形的予加工, 余同具体字联想实验.
左视野
2、主要实验结果与讨论:
（1）汉字认知的起始时程
具体字联想实验 图为左视野ERP • 横排5个记录点 • 左半球P3-T5，左视野为同侧，右半 球P4-T6，左视野为对侧 • 红线为目标字认识时的ERP, 绿线为目
字加工中的“优势半球”概念已难以
概括上述二维差异，需要修正。
左视野，不认识 – 认识
（3）汉字认识否引起的ERP差异： · 不认识的目标字的PSW波幅大于认识的目 标字PSW, 前者的潜伏期也显著长于后者. · 不认识的目标字ERP – 认识的目标字ERP = P800.
· 该差值只与汉字认识与否及联想/猜想相关,
2、ERP的定义
（1）诱发电位（EP）的广义定义：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。 （2）诱发电位（EP）的狭义定义：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。 （3）事件相关电位（ERP）的定义：当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，或 /和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。 • 需要注意撤反应。
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（5）形音义的加工顺序，形音义加工的反复、交错与重叠：
· 由（1）已知，在100ms至160ms左右已开始了词义加工. · 由（3）已知，800ms后仍在进行词义加工.
· 由（4）已知，形音加工在160ms、450ms和800ms附近也均有表现.
· 由（1）、（3） 可知，义在100～160ms后又在800ms出现加工，可见义 存在加工与再加工的反复过程 · 由（1）、（4）可知，在160ms形音义三者加工近似重叠 · 由（3）、（4）可知，在800ms形音义三者加工近似重叠 · 所以，形音义在认知中均存在加工与再加工的反复过程, 形音义三者的 加工是交错进 行的，并发生重叠。
左半球（同侧）
标字不认识时的ERP • 在每帧图中, 纯音、提示字和目标字 各引起一组ERP。
右半球（对侧）
左右视野目标字在左右半球 （对侧、同侧）引起的P1与N1
· 在生理上, 半视野刺激应首先投射于对侧 脑, 然后传导到同侧脑. · P1潜伏期(约100ms) 附合这一规律: 对侧 投射比同侧传导出现得早. · N1潜伏期(约160ms)已不附合这一规律: 对侧投射与同侧传导基本同时出现. · 提示字引起的N1仍为对侧投射早于同侧 传导. · 目标字与提示字的区别主要在于突出了 词义加工. · 所以N1受到了目标字词义加工的调节. 它 始于 100ms 至 160ms之间，亦即汉字认
（1）颅骨不匀且有个体差异
（2）容积导体效应
（3）电场封闭（主要来自锥体细胞层，失真：该 层ERP大，其他层小）
10、ERP的发展趋势
1966: 177 1967-68: 1501 1969-70: 1971 1971-72: 2063 1973-74: 2216 1975-76: 2538 1977-78: 2624 1979-80: 3445 1981-82: 4208 1983-84: 4416 1985-86: 4538 1987-88: 4610 1989-90: 4804 1991-92: 5479 1993-94: 5386 1995-96: 5461 1997-98: 5888 1999-00: 6205 2001-02: 6299 2003-04: 6996
二、ERP在认知神经科学中的应用 1、ERP的学术位置
•
• • • •
属于心理生理学（psychophysiology）范畴。
心理生理学以心理因素为自变量，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。
Байду номын сангаас
5、EEG对ERP的淹没与 叠加基本原理
计算机不设置负值，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。
信噪比的提高值与叠加次数: S / N n / n n 。
：原信号2微伏 / 噪音10微伏 = 0.2，叠加100次后
例
（2微伏×100）/（10微伏 × 100 ）= 200微伏 / 100微伏 =2
数应等于或大于128点。
7、ERP的研究分类
（1）按感觉通路：AEP、VEP、SEP （2）按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。
a
（3）命名法：正P负N潜伏期。如P300, N400, N170。
（4）向上为负。
（5）成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。
纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。
物理因素皆被减掉; 为纯心理性成分. · 二项实验全部记录点均于目标字后约800ms
出现了一个相似的正成分, 说明是一种规律.
· 在此实验条件下可作为判断被试是否认识 所用汉字的客观标志. 在此将该差异成分标
记为P800.
（4）形音加工ERP成分的获得， 形音加工的反复性 · 对照组认识的目标字需形音义全面加工. · 具体组认识的目标字主要进行义的加工. · 对照组- 具体组 = 形音加工成分. · 结果：160ms正成分, 450ms负成分, 800ms另一个正成分. · 所以形音加工不是一次完成的，而是存在着反复.
（二）语言加工的脑机制 —半视野汉字研究（Wei, et al., NeuroReport, 2001） 1、实验方法
实验采用的刺激呈现模式可图示如下, 其中数字单位为ms: 纯音 --- 提示字 --- 目标字 --- 被试述词 --- 下次纯音 ...
220 1210 200 1300 200 4400
一、ERP的基本原理
EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身，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。
1、名词来源
原称：诱发（脑）电位，强调刺激引起，针对“自发电位”而 言。Evoked（Brain）Potentials = EP
由于认知EP不仅外界刺激感觉所致，尚来自主动的自上而下的 心理因素，故改为“事件相关（脑）电位”（1969，Herb Vauhan）。Event-Related（Brain）Potentials = ERPs 平均诱发电位。强调经过计算机平均。Average Evoked Potentials
ERP的基本原理及其在认知神经科学 中的应用
The Basic Principles and Application in Neurosciences of ERP 魏景汉
Jing-han Wei Weijh@psych.ac.cn
中国科学院心理研究所 Institute of Psychology, Academia Sinica
概念已难以概括上述二维差异，需要修正。
（3）汉字形音义的加工关系错综复杂，存在着反复、交错与重叠，难 以用语义通达是否通过语音来概括。
（4）在本实验条件下，P800有可能成为鉴别被试是否认识汉字的指标
。
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头皮记录 Fz、Cz、Pz、左脑P3-T5 及右脑P4-T6 共五点之ERP. 每名被试皆接受二项实验. （1）具体字联想实验。主要目的：突出目标字义的加工，减弱形音加工。 · 纯音预告汉字即将出现, 引起注意. · 提示字皆认识字, 要识记其发音与字形. · 目标字与提示字音同形似,如,提示字“丁”,目标字“钉”;“防” —"房". · 目标字分为认识与不认识. · 对认识的目标字要根据其义联想出另一个字, 组成双字词并口头报告. · 对不认识的字根据提示字音、形尽量猜测其义,仍不认识, 述"不认识".
3、特性：
（1）淹没，约2微伏 ~ 10微伏。 （2）两个恒定：潜伏期、波形。
4、简史：
1935-1936 Pauline and Hallowell Davis首先在清醒人记录到感觉 ERP。 1939 Davis等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，EEG平静时记 录。 1947 Dawson 首次报道用照相叠加技术记录人体EP。 1951 Dawson 首次发明机械驱动-电子存储式EP叠加与平均方法 （张明岛等，1995），开创了神经电生理学的新时代。 1962 Galambos and Sheatz首次发表计算机平均叠加ERP论文。 1964 Grey Walter等发表第一个认知ERP成分（CNV），标志着 ERP研究新时代的开始。
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3、主要结论： （1）在本实验条件下，汉字认知始于约100 ms至160 ms之间。
（2）有理由假设，左脑可能需等待右脑传来必要的信息后才开始加工
，但其加工一旦开始就在一定时期内占优势。这就是说，在起始时间与 加工强度两个维度上两个半球各占优势。 汉字加工中的“优势半球”
知的起始时程约为100ms 至 160ms.
（2）左右脑在汉字加工中的关系： • 左脑N1迟于右脑出现， 左脑N1波幅
大于右脑。
• 所以有理由假设，左脑可能需等待右 脑传来必要的信息后才开始加工，但
其加工一旦开始就在一定时期内占优
势。这就是说，在起始时间与加工强 度两个维度上两个半球各占优势。 汉