ERP经典实验设计.ppt

ERP的实验设计与数据处理,一、实验范式,经典范式:Oddball,Go-Nogo注意:听觉,视觉记忆:学习-再认社会认知,经典范式1-Oddball,Oddball实验模式是指采用两种或多种不同刺激持续交替呈现，它们出现的概率显著不同组成标准刺激(standard stimuli)大概率偏差刺激(deviant stimuli)小概率 令被试对偏差刺激进行反应，因此该偏差刺激称为靶刺激（Target）或目标刺激。诱发P300、MMN等与刺激概率有关的ERP成分时的经典实验模式。,标准刺激 靶刺激 非靶刺激 刺激缺失 新奇刺激,ABCD,跨通路延迟反应范式,Task 1：Attending Picture,Ignoring TonePictureToneTone Red Cross,Discriminatewait and capturereact the imperative signal,Task 2：Attending Tone,Ignoring PictureTone Picture Click,Discriminatewait and capturereact the imperative signal,(0-2 trial),(0-2 trial),经典范式2-Go-Nogo,两种刺激的概率相等Go刺激令被试反应的刺激，即靶刺激 Nogo刺激不需被试反应的刺激特点：排除了刺激概率对ERP的影响；由于没有大小概率之分，大大节省了实验时间，但也丢掉了因大、小概率差异而产生的ERP成分,注意的实验范式,双耳分听空间注意:Cue-Target提示范围的分级,鸡尾酒会效应与双耳分听(Chrry,1953),Hillyard,1975,Science,Mangun&Hillyard,1991,Valid Cue,Invalid,Neutral,经典的中央性提示,固定注视点1400 ms,提示箭头200-500 ms,目标50 ms,屏蔽200 ms,(Luck et al.,1994),Valid vs.Invalid,Valid vs.Neutral,Invalid vs.Neutral,间隔对P1效应的影响(Grorge&Mangun,1998),注意左侧，多靶（16%）；注意右侧，多靶（16%）；注意左侧，少靶（2%）；注意右侧，少靶（2%）；被动（2%无关刺激）（Woldorff et al.,1997）,靶刺激在下视野,对侧的背侧枕区、18/19区,（Martinez Hillyard,1999，2001）,刺激为白色直立的T（占86）和倒置的T（靶刺激14），被9个十字所包围，并叠加在灰色的棋盘格上以等概率随机出现在左侧视野（LVF）或右侧视野（RVF）。任务是持续注视中央箭头并按键报告箭头所指注意侧的靶刺激，并忽视注意侧对面的刺激物。,C1无注意效应注意效应发生在早期P1、晚期P1和N1注意时其波幅增大,300 ms,1500 ms,Time,CUE SIZESmall Medium Large,SOA(ms)230-350(Short)500-650(Medium)800-950(Long),Fixation Precue Search Array,不同范围等级提示的空间注意实验范式(Luo et al,Cogn Brain Res,2001),ERP in Short SOA,SmallMedianLarge,P1(80 ms),Large Median Small,N1(160 ms),Cue,Search Array,P1(100 ms),N1(160 ms),Press the key，discriminate the direction of the vertical crescent,ISI:Short 400-600ms Long 600-800ms,固定区域提示下的注意效应,其他相关实验,干扰刺激位置对视觉空间注意影响,干扰位于小圈 干扰位于中圈干扰位于大圈,该范试的特点为干扰刺激均位于同一个圈。与靶刺激特征相同,内部干扰,外部干扰,内部/外部干扰,可以检测被试在分心物存在条件下注意力的集中程度,记忆的实验范式,经典范式:学习-再认运动知觉的启动元记忆,A.Study Phase(14 faces,SOA 3s,duration 1s),B.Test Phase(28 faces,repeated 50%,SOA 3.2s,duration 1s),理,张,理,舒,Time,Learning Stage,TestStage,Old,New,1st Present,Typical Procedures,ms,-100,200,400,600,800,1000 ms,0.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0V,ms,-100,200,600,800,1000 ms,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0V,-100,200,400,600,800,1000 ms,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0V,C3,Cz,C4,High FrequencyLow Frequency,Encoding effects on higher-&lower-word frequency(Chinese),P180,N350,LPC,110ms 146ms 166ms 275ms 498ms 600ms 650ms 750ms,114ms 182ms 234ms 380ms 486ms 650ms 680ms 750ms,听觉汉字,视觉汉字,第一阶段感觉第二阶段知觉第三阶段语言,Chen&Luo,2003,NeuroImage,汉字的记忆编码,-100,200,400,600,800,1000,0.0,-1.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,0.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,0.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0,0.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0,-100,200,400,600,800.0,900.0,1000.0,0.0,-2.0,2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0,FzCzPz,OldNewDiff(Old-New),Higher Freq.Lower Freq.,Test Stage,P180,N350,LPC,单次运动实验模式示意图（a）与单次运动产生的ERP总平均图（b）,特定方向 二义 左 右 左右(0-90)(0-270)(0-180),F1F2,向右运动二义运动向左运动,F1F2F3,启动 目标间隔(200,400,and 1000 ms),二义-目标 特定-目标(实验)(对照),启动目标,(0-90-270)(0-90-0),特定方向 二义方向,双次运动的实验模式示意图（a）双次运动产生的ERP总平均图（b）,强启动弱启动无启动,实验对照,P1,P3,2个相反的特定方向,无启动弱启动强启动,98 162 226 386 418 ms,+2.5+2.0+1.5+1.0+0.50-0.5-1.0mV,颞上回,枕叶,hMT+,内侧顶叶,Z=3.09 Z=13.11,a,b,实验组与对照组相减的差异波地形图（a）和fMRI结果(b),jiang Luo et al,2002,RT(ms),%Same Direction Judgements,200 400 1000 ms,Priming Reversal Priming Reversalin Young in Young in Old in Old,200 400 1000 ms,Behavioral Data,The perceived rate in the same directionin the young was higher than in the old subjects,F1,22=4.727,p.05.,The RT prolonged with interval increasedonly for priming condition in both young and old subjects,F2,44=5.711,p.01,2、无意识启动运动知觉的老年化,无启动弱启动强启动,98 162 226 386 418 ms,+2.5+2.0+1.5+1.0+0.50-0.5-1.0mV,颞上回,枕叶,hMT+,内侧顶叶,Z=3.09 Z=13.11,a,b,首次确定视运动知觉的启动效应在刺激后98ms首先激活视觉初级皮层后续活动（400ms左右）发生在内侧颞叶、颞上回、顶叶等更广泛的脑区,运动知觉启动与工作记忆,0-90-180 0-90-0,Same Direction Opposite Direction,1stMotion2ndMotion,Time,SOA:200 ms,各种条件下的启动效应,0-90-270 0-180-90 0-180-0,Unambiguous Ambiguous AmbiguousAmbiguous Unambiguous Ambiguous,元记忆的研究方法,实验分三个步骤进行记忆一系列词对，例如“项目大臣”呈现前面的线索词(项目？)，让被试回忆后面的靶子词(“大臣”)在他们回忆不出来的情况下，令他们判断自己是否对那个不能成功回忆的词有一种“知道感”通过一项再认测验来检验其“知道感”是否准确,元记忆的脑机制“知道感”记忆导致大量的脑活动（额叶区），而“不知道感”项目则只伴随有少量脑活动。知道感可能是基于一个部分信息提取和元记忆判断过程；而不知道感则可能基于一个线索熟悉性的脑活动状态，即一无所获而获得不知道感。对“知道感”的认知与大脑机制的探索，可为人工智能研究提供有益启示。Luo et al,2003,Chin Sci Bull,社会认知的研究,情绪与注意情绪与记忆欺骗的心理过程,情绪对注意的影响,1500ms(Probe),延迟样本匹配：由“目标（target）-延迟(delay)-探测（probe）”三个阶段构成的试验单元。,实验范式,(Sternberg,1966),实验程序,实验分2 sessions；一个只呈现负性图片以诱发负性情绪，另一个只呈现中性情绪作为对照。5 blocks/session，32 trails/block32个trails里16个空间任务16个词语任务，随机出现。(即每种条件80个trails),欺骗意图的实验范式,将欺骗过程分成三个阶段：欺骗动机形成、做出欺骗反应、欺骗结果的评价,(买晓琴，博士论文，2005),动机形成阶段,ms,-200,300,800,1300,1800,2300,2800,V,-2.5,-5.0,-7.5,-10.0,-12.5,2.5,5.0,7.5,-200,300,800,1300,1800,2300,2800,-2.5,-5.0,-7.5,-10.0,-12.5,2.5,5.0,7.5,FCz,ms,-200,300,800,1300,1800,2300,2800,-2.5,-5.0,-7.5,-10.0,-12.5,2.5,5.0,7.5,V,V,ms,强迫欺骗强迫诚实,强迫,自愿,自愿欺骗自愿诚实,结果评价阶段欺骗组与简单组比较,-2+3差异波,-100,100,300,500,700,-5,-10,-15,5,10,15,20,25,FCz,-100,100,300,500,700,-5,-10,-15,5,10,15,20,25,ms,V,290 ms,300 ms,欺骗组,简单反应组,二、刺激序列的问题,刺激呈现时间刺激间隔消除重叠成分,1 刺激呈现时间,刺激呈现时间长度与任务难度成反比当呈现时间短到一定程度，例如视觉刺激在40ms以下，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，二是利用相减技术,2 刺激间隔,SOAstimulus onset asynchrony,ISIinterstimulus interval,Onset Offset,短间隔将导致ERP成分，特别是早期成分的重叠预留足够被试完成作业的反应时间间隔过长可能浪费硬盘空间，并延长不必要的实验时间刺激间隔与任务难度成反比。,3 消除相邻刺激的重叠成分,1）高通滤波（high-pass filtering）增加频带宽度低端频率响应，可以减弱ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。如果仅对早期高频成分，例如听觉脑干诱发电位感兴趣，即可采用此法（高通为50150Hz）。2）低通滤波(Low-pass filter)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Jitter法。,130-190 ms,125-275 ms,120-320 ms,ERP数据处理,(一)脑电数据的采集与记录,1 步骤设置或修改脑电记录文件（SETUP文件），根据下述记录参数。电极安放戴电极帽。记录（record）。保存记录文件(save),2 记录参数,放大倍数 对脑电的放大倍数至少在5万倍以上，注意对EOG的放大倍数应减小1半或2/3。分析时间(epoch)与基线(baseline)根据实验模式和研究目的设定分析时间，多在1000ms左右，刺激发生前的基线常为100200ms。频带宽度(bandpass)使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除目的。频带宽度的高通一般为0.010.1 Hz，低通为40100Hz。皮肤阻抗应使其低于 5 k。每个记录点的脑电位均需与参考点的电位进行比较而得到电位差，因而此处的皮肤阻抗尤需降到尽可能低的程度。采样频率（A/D Rate）与时间分辨率成正比。例如250Hz的采样频率,时间分辨率为4ms。,(二)波形平均与叠加,提取并打开连续脑电文件合并任务数据 消除眼电伪迹对脑电分段(Epoch)滤波(filter),基线校正(baseline correct)排除伪迹平均(average)保存,1 波形识别,波形判断：从一系列波形中判断有关成分，是ERP研究的一个技术难关。可根据峰潜伏期、波形、及其头皮分布，参照总平均图与文献进行判断，丰富的经验也是一个重要的因素。,(三)波形识别与测量,2 波峰测量,波幅测量峰峰，基线峰峰潜伏期测量 起始时间(始潜时)的测量,-200,200,400,600,800 ms,-2.0,-4.0,2.0,4.0,6.0,潜伏期,基线峰,峰峰,Fz,C3,C4,Cz,T5,T6,P3,P4,OR,OL,Pz,Oz,O1,O2,-5 m v+,600 ms,3 平均波幅测量,适用：信噪比不太好的波形，如差异波固定法或连续测量法：如间隔20、50、100和150ms。较客观、标准统一，便于测量及比较；但在个体差异大时，数据可靠性较差。具体法或间断法 根据总平均图确定某一成分的时间窗口。根据总平均图而定，针对性较强，但主观性较大，不利于比较。,4 相减,相减技术的运用，对于提取更为纯粹的、与心理机制相关的ERP成分具有重要意义。,1、统计分析的设计,描述性统计 均值标准差、均值标准误T检验 方差分析 重复测量的多因素方差分析（Repeated measures ANOVA）,(四)统计分析,Oddball实验，记录32导脑电概率（2：大、小概率）记录点（32）,Cross-Modal Delayed Response,Task 1：Attending Picture,Ignoring TonePictureToneTone Red Cross,Discriminatewait and capturereact the imperative signal,Task 2：Attending Tone,Ignoring PictureTone Picture Click,Discriminatewait and capturereact the imperative signal,(0-2 trial),(0-2 trial),可以得到哪些ERP成分？,怎样设计统计分析？,22 2 12听觉通道与视觉通道（2）注意与非注意（2）标准刺激与偏差刺激（2）记录点（选取12个点）,听觉视觉,注 意 非注意,记忆痕迹的失匹配机制通路特异性，而形成痕迹的机制通路上机制据此提出注意早晚选择因条件而异的注意过滤器可塑性假说,1 定性分析,设置条件1与条件2，分别产生A峰B峰。测量并比较峰A与峰B的潜伏期、始潜时、波幅等指标。比较条件1与条件2的波形在头皮的分布。定位分析。,(五)结果分析,2 脑地形图,脑电地形图是指将放大的脑电信号转换成一种既能定量、又能定性的脑波图形，可使大脑在某一时间的功能变化与形态定位有机地结合。脑地形图需要至少12导记录电极，理论上导数越多越好，目前已达到256导。根据脑电信号：EEG频率地形图，针对不同的频段，包括波、波、波、波和近年受到关注的40Hz脑电；ERP波幅地形图,根据图形的色彩或形式：彩色地形图(Luo等,2000;Worldorff等,1997)、灰度地形图（Luo Teder等,1993）,根据维度：二维地形图三维地形图,实际头形地形图：精确地、实时地数字化描绘每个被试的电极位置和头颅形状，形象地显示三维地形图,面孔识别的P170成分分布,3 源分析极性翻转,颅内与头皮电位的极性翻转：在早期的生理学研究中，将电极直接插入海马、海马旁回和杏仁核，记录到波幅较大的极性翻转的电位，其潜伏期与头皮记录的顶部P300一致。俄国科学家用颅内电极在Parkinson病人颞叶叶直接记录到听觉MMN(Kropotov等,1995)。在动物实验中也多次证实。Ntnen（1992）用鼻尖作为参考点，发现在头颅外侧裂以上的头皮MMN与外侧裂以下的乳突与之极性翻转。极性翻转的机制可用偶极子原理解释。,3 源分析电流密度图(Current Density Reconstruction),3 源分析偶极子定位,偶极子(Dipole)是一对数值相等、符号相反的电荷，彼此相隔一定距离时形成的体系。神经传导递质作用于突触后神经元受体的过程中所产生的突触后电位导致了ERP的产生。源定位可根据偶极子的数目、偶极子的时间特征、偶极子的位置和偶极子量等因素进行。偶极子模型单个偶极子模型与(single dipole models)多个偶极子模型(multiple dipole models),patch of aligned pyramidal cells in gray matter layer,Cortical Activityand Dipoles,A Multimodal Approach,Dipole Confidence Ellipsoids,Head Model,Sensors Model,Source Model-idealized-simplified,Data(estimated),Inverse Calculation,Head Model,Sensors Model,Source Model,Data(measured),experiment&measurement,谢谢！,