事件相关电位脑电技术(EEG/ERP )概述

时间:2022-06-27 编辑:瀚翔医疗 浏览数:1238

1、事件相关电位 ERP 基本概念 

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即是脑电事件相关电位(Event Related Brain Potential,简称 ERP)。(引自魏景汉、罗跃嘉的《认知事件相关脑电位教 程》)。自二十世纪六十年代,Sutton 提出了事件相关电位的概念,经过多年的研 究发现事件相关电位与认知过程有密切关系,故被认为是“窥视”心理活动的“窗 口”,神经电生理技术的发展,为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。 


ERP 波形是大脑对各种事物变化所引起的电活动,是人对事物认知,心理行为的一种客观的表现形式,被科学家称为“观察脑功能的窗口”,在心理学、生 理学、认知科学、神经科学、体育科学、临床医学及其他生命科学相关领域具有很高的研究与应用价值。 


2 、获得 事件相关电位 ERP 波形 

在介绍如何获取 ERP 波形之前,我们先熟悉一下诱发电位的概念。 


诱发电位(Evoked Potentials,EP),也称诱发反应(Evoked Response),是指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激,或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工,在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。诱发电位应具备如下特征:a)必须在特定的部位才能检测出来;b)都有其特定的波形和电位分布;c)诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系,在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现。 


诱发电位的分类方法有多种,依据刺激通道分为听觉诱发电位、视觉诱发电位、体感诱发电位等;根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚(长)潜伏期诱发电位和慢波。临床上实用起见,将诱发电位分为两大类:与感觉或运动功能有关的外源性刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件 相关电位(Event-Related Potentials ERPs)。 


ERP 波形是一个很微弱的生理电信号,只有几微伏至十几微伏,一般都隐藏在自发的脑电图之下。事件相关脑电有两个重要特性:潜伏期恒定、波形恒定; 与此相对,自发脑电则是随机变化的。所以,可以将同一事实多次引起的多段脑电记录下来,但每一段脑电都是各种成分的综合,包括自发脑电(噪音),将由相同刺激引起的多段脑电进行多次叠加,由于自发脑电或噪音是随机变化,有高有低,相互叠加时就出现正负抵消的情况,而 ERP 信号则有两个恒定,所以不会被抵消,反而其波幅会不断增加,当叠加到一定次数时,ERP 信号就显现出来了。


叠加平均方法就是根据刺激信号的标志,将脑电图分为若干段,然后叠加在一起平均分析。因为自发脑电信号是无序的,相位波幅大小是不等的,所以经叠加后,自发脑电互相抑制抵消,而 ERP 波形因其潜伏期固定,波幅大小恒定及相位相同,经叠加后,反而放大,充分突现出来,最后经平均处理,得到单个的 ERP 波形。 根据脑电图及 ERP 波形固有的特点,这就要求所采用的设备性能较高,抗干扰性强。脑电图和各种刺激信号同步,最终分析处理得到 ERP 波形。分析处理过程如下图: 


图 1


3、事件相关电位 ERP 波形分析处理 

ERP 波形主要是在外界刺激条件下的皮质大量神经组织的突触后电位同步总和所形成的。如当某人看到一副画,这副画他以前有没有见过还是怎样,这样在他的大脑中的就会产生 ERP 波形,体现他对这副画认知加工过程。因此,在 ERP 波形分析过程中,主要就集中分析 ERP 波形出现时的潜伏期及波幅大小,并且这在大脑的哪个部位产生的,随着时间的变化,大脑哪些地方或功能区参与了认知加工过程。 


事件相关电位属于长潜伏期诱发电位,测试时一般要求被试者清醒,并在一定程度上参与其中。引出 ERPs 的刺激是按研究目的不同编制而成的不同刺激序列,包括两种及两种以上的刺激,其中一个刺激与标准刺激产生偏离,以启动被试的认知活动过程。如果由阳性的物理刺激启动,除了由认知活动产生的内源性成分,尚包括外源性刺激相关电位;如由阴性刺激来启动心理活动过程,则引出由认知加工而产生的内源性成分。 


刺激模式:刺激模式的设置是研究 ERPs 的关键,要求根据研究目的不同设计不同的刺激模式,包括两种及以上不同概率的刺激序列,并以特定或随机方式出现。包括视觉刺激模式、听觉刺激模式、躯体感觉刺激模式。 


ERP 波形根据所出现的时间,可以分为早成份,中成份及晚成份。据目前科学研究表明:早成份主要说明神经传导过程,而中晚成份大多反映人的心理变化和认知行为过程,也就是人类大脑思考与学习的过程。所以,只要不懈努力,得出ERP波形出现的客观规律,那么揭开大脑的神奇也就为期不远。 


4、影响 事件相关电位 ERP 记录的因素 

物理因素:刺激的概率:靶刺激概率越小,P3 的波幅越高,反之,波幅减小。一般靶刺激与非靶刺激的比例为 20:80;刺激的时间间隔:间隔越长,P3 波幅越高;刺激的感觉通道:听、视、体感感觉通道皆可引出 ERPs,但其潜伏 期及波幅不尽相同。


心理因素:事件相关电位检测过程中一般要求被试者主动参与,因而被试者的觉醒状态、注意力是否集中皆可影响结果。另外,由于被试者只有识别靶刺激并作出反应才能诱发出 ERPs 成分,因此,作业难度对测试结果也有影响,难度加大时,波幅降低,潜伏期延长。 


生理因素:年龄:不同年龄 P3 的波幅及潜伏期不同。潜伏期与年龄呈正相关,随年龄增加而延长,而波幅与年龄呈负相关。在儿童及青少年,波幅较高; 分布:ERPs 各成分有不同的头皮分布。 


5 、脑电事件相关电位 ERP 的应用 

近年来,随着认知神经科学研究的突飞猛进,ERP 更是受到脑科学界更为广泛的关注。就认知神经科学而言,它是侧重于研究认知过程神经机制的交叉学科, 而 ERP 的优势正是具有很高的时间分辨率(毫秒)。 


ERP/EEG 的研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能 等多个领域,发现了许多与认知活动过程密切相关的成分,如 CNV、P300、MMN、 N400 等等。例如,MMN 的发现为脑的信息自动加工提供了难得的客观指标, 有助于研究一些困难而重大的理论问题(如人脑自动加工的广度、精度及人脑心理活动之谜),将生命科学的研究引入到了非意识的深奥领域,使脑与意识的研究进入了一个新时代。 


而在无意识、不能取得主诉(婴儿或昏迷状态)给疾病的诊治带来困难时, MMN 可以发挥独特的作用;而 N400 的发现不仅在于使 ERP 增加了一个具有特 定意义的成分,扩大了 ERP 的研究范围,重要的是将 ERP 成功地运用到了语言 心理学,给语言心理学注入了新的活力,使探讨语言加工的脑机制成为可能。 


尽管 ERP 可以很好地研究认知过程,但并不排除其在脑功能状态评定中的重要价值。ERP 采用心理和生理指标相结合的测试方法,不仅可以给出信息输入与行为输出之间加工过程的信息,而且也可以得到 ERP 各成分的潜伏期与幅值及其在头皮的分布,揭示神经细胞群活动机理,从而更准确有效地评价神经功能 状态。


总之,ERP 波形目前主要应用在心理学的科学研究上,但随着对各种 ERP 波形认识程度的逐渐加深,已逐步在生命科学的各个领域应用。 

(一)基础领域: 1.感觉神经科学研究:视觉、听觉、体感等 2.认知神经科学:注意、记忆、语言、面孔识别、情绪 、意识等 3.EEG/ERPs/fMRI 综合研究 

(二)应用领域: 1.脑机接口、功效心理学、航空/航天/航海脑科学、运动心理学(运动员选 拔)2. 应用神经科学(癫痫、注意缺陷、精神疾病、痴呆、睡眠等) 3. 视、听障碍辅助诊断等、人工耳蜗 

应用举例: 

A.感觉神经科学研究 

a)听觉:SCAN 软件配合 SynAmps2 放大器可以记录短潜伏期的脑干诱发 电位(ABR) 、中潜伏期反应(MLR)和失匹配负波(MMN) 。在线 Fsp 统 计分析可以判断主要诱发成分何时产生。 

b)视觉:可精确测量视觉诱发电位(VEP) ,并通过 PCA/ICA 及源分析 来进行通道特异性成分的分析以及偶极子定位。 

c)体感:SCAN 与 SynAmps 2 可以很容易地从刺激伪迹中采集可靠的数据, 所有的感觉诱发电位均可以 2D 或 3D 呈现。 

B.认知神经科学研究 

a)语言加工: 从语音识别的 MMN 到语意歧义 N400,以及视觉或听觉通 道的句法 P600 成分,其独一无二的事件记录功能和多种类型叠加的在线显示功 能为成人及儿童的语言加工研究提供了强大的支持。 注意: 可与叠加平均相结合,在线独立成分分析(ICA)可用来客观地鉴 别和测量与注意预警和靶刺激识别相关的神经生理反应,如关联性负变(CNV) 和 P300。 

b)记忆: 可以用多种实验范式(如空间定位、序列位置回忆)来研究正常 被试和病人的记忆加工过程的神经生理反应,如再认、回忆等。

c)β 和γ 振荡:自发和诱发成分中的快波振荡与脑高级认知功能密切相关, SCAN 可以进行自发脑电和事件相关的不同脑区各个脑电频带的功率谱、相干谱、同步分析等。 

C.应用神经科学研究 

a)脑机接口: 康复机器人,脑电控制机械臂、机械手、模拟驾驶、轮椅控制 

b)中医针灸: 作用于同一穴位时针刺前后脑功能状态的变化及脑区发生源相关研究。 

c)精神分裂症: 从早期 P50 成分到后期 P300 成分,SCAN 软件都提供了研究这些现象的所有工具。 

d)癫痫: 癫痫棘波可以在线和离线叠加平均, 并用 Source 和 Curry 进行多模式神经影像分析。 

e)注意缺陷障碍:可研究从感觉门控加工成分 P50 到高级认知加工成分的变化特征来评估儿童和少年患者的脑功能。 

f)Alzhiemer 疾病:Alzhiemer 疾病患者的皮层功能可用 Neuroscan 提供的神经生理学工具进行研究。 

g)睡眠: 在线频谱分析可用于睡眠分期, 并可据此将研究限定在所感兴趣的睡眠阶段。