事象関連電位（ERP）の基礎
ロシニ・ランデニヤ
更新日
2024/05/22
事象関連電位（ERP）の基礎
ロシニ・ランデニヤ
更新日
2024/05/22
事象関連電位（ERP）の基礎
ロシニ・ランデニヤ
更新日
2024/05/22
1. はじめに
ようこそ！この2番目のチュートリアルでは、刺激に対する脳の反応をマーキングする方法について学びます。
以下の内容を学びます：
事象関連電位（ERP）とは何か？
ERPのピークとコンポーネント（成分）とは何か？
ERPを取得するための一般的なステップ
Emotiv EPOCデバイスとソフトウェアを使用した実践的な応用
2. 事象関連電位（ERP）とは何か？
事象関連電位（ERP: Event-Related Potential）は、誘発電位とも呼ばれ、特定の出来事や刺激（大きな音を聴くなど）に対する脳の反応です。具体的には、感覚的または認知的な出来事の結果として、EEG（脳波）に見られる電位振幅の変化を指します。
刺激の開始後に発生する安定したピークである「ERPコンポーネント（成分）」を観察することができます。ERPには多くの正または負のピークが存在しますが、それらすべてがN100やP300コンポーネントのように、十分に特徴づけられたERPコンポーネントであるわけではありません。
時間領域での脳波（EEG）を見る際は、軸の方向に注意してください。特に臨床用の脳波検査では、軸の上が「マイナス（−）」、下が「プラス（＋）」になっていることがあります。
注：ERPは単一のイベントから表現することも、そのイベントの複数回の試行（トライアル）にわたって振幅を平均化することで表現することもできます。通常、画像のように明確なコンポーネントを持つ滑らかなERPは、数百回に及ぶ試行の平均をとることによってのみ得られます。
図1 – 典型的な聴覚ERPコンポーネント
典型的なコンポーネントは、その極性（すなわち、正（P）または負（N））と、それが発生するタイミング（例：最初の負のコンポーネントであるN1など）によって特徴づけられます。同じN1コンポーネントは、発生した時間（例：音の開始から100ミリ秒後など）によっても定義され、N100と呼ばれます。
3. ERPを取得するためのステップ
実験フェーズ：
私たちは、関心のある特定のERPを取得するために実験を設計します。
例えば、参加者がオーディオトーン（音）を聴いている間に脳波データを収集します。
脳波データを理解するには、参加者が音を聴いた時点を脳波データ上にマークする必要があります。これらはイベントマーカーと呼ばれます（図2の垂直の赤線）。
図2 – 生の脳波上に表示されたイベントマーカー（赤線）
ERPを適切に観察するためには、イベントマーカーのタイミングを音の開始時点と正確に合わせることが非常に重要です！そのため、正確なタイムスタンプを取得できる適切なハードウェアとソフトウェアを選択することが重要です。
リファレンス（基準電極）の選択
電気的な活動は常に2点間で測定されることを思い出してください。脳波デバイスでは、各センサーの電位はリファレンスセンサー（DRL + CMS）に対して測定されます。
Emotiv EPOCデバイスでは、リファレンスセンサーに2つのオプションがあります。
図3 – Emotiv EPOCタイプデバイスにおけるリファレンスの選択肢
EPOCタイプ用のヘッドセットには、2つのリファレンスオプションがあります：
乳突起（マストイド）リファレンス – 乳突起をリファレンスセンサーとして使用するには、P3/P4センサーにラバーストッパーを取り付け、乳突起センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
P3/P4リファレンス – P3/P4をリファレンスセンサーとして使用するには、M1/M2（乳突起）センサーにラバーストッパーを取り付け、P3/P4センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
ERP実験では乳突起リファレンスを使用するのが一般的ですが、P3/P4リファレンスを使用することも可能です。なぜなら、解析前のデータ前処理の段階で、後からオンラインでデータの再リファレンス（リファレンスの再設定）ができるからです。データを分析する前に、すべてのセンサーの平均値へと再リファレンスすることが一般的です。
今回の実験では、乳突起リファレンスを使用してデータを収集します。乳突起（マストイド）は、頭部の他の場所に比べて脳波データを伝えにくいという、通常当てはまる適切な仮定があるため、優れたリファレンスポイントとなります。
前処理：
脳内で発生しているその他のあらゆる活動（~ ±40uV）に比べて、ERPは非常に小さな反応（~ ±5uV）であるため、生の脳波からすぐにERPを視認することはできません！
そのため、音に対する特異的な脳の反応を確認するには、データをクリーニングしてノイズやアーチファクトを取り除く必要があります。その後、データを「エポック化」します。これは、脳の反応を定義した時間枠（例：音を聴く50ミリ秒前から、聴いた後の400ミリ秒まで）に切り分けることを指す用語です。そして、切り分けられた（エポック化された）個々のすべての脳波データを平均化する（すなわち、すべての音に対する脳の反応を平均する）ことで、明確なERPが得られます。
以下は、一般的なERP処理パイプラインの基本ステップです。研究者は自身のデータや目的に応じてステップを選択します。
図4 – 一般的なERP処理パイプライン
4. 独自のERPを取得してみよう
まず、ソフトウェアを設定しましょう
PsychoPyの最新バージョンをダウンロードします – https://www.psychopy.org/ 私たちは参加者に音を提示するためにPsychoPyを使用します。
脳波を記録し表示するために、Emotiv LauncherおよびEmotivPROアプリを取得します。
PsychoPyとEmotivソフトウェアを接続し、相互に通信できるようにします。
ビデオのステップに従ってください：
PsychoPyでEmotiv EEG実験を構築する
滑らかなERPは、任意の刺激（例：画像、音）を何度も繰り返し提示することで得られます。ここでは、参加者に対して同じ50msの音を4秒ごとに約150回提示します！
ビデオの指示に従って、単一の音を使用したシンプルな聴覚実験を構築してください：
データを取得しましょう
リファレンスを選択したら、ビデオを視聴して、最高品質の脳波（EEG）を得るためのヘッドセットのセットアップ方法について学びます：
EmotivPRO Analyzerを使用したERPパイプライン
ビデオを視聴し、ステップに従ってあなた自身のERPを生成してください：
AnalyzerからのERP出力の理解
各チャンネルについて、平均化された波形が表示されます。以下は、100ミリ秒時点で負のピークを示す典型的な滑らかなERPです。実線は平均振幅を示し、薄い影の部分は平均値の標準誤差を示しています：
こちらは、明確なERPコンポーネントがないノイズの多い波形です。これは試行回数が少ないことが原因で発生する可能性があります：
考慮すべき事項
参加者間でERPを比較する場合、一般的には差分効果を比較する方が適しています。
例：パターンの中で、頻繁に発生する音（標準刺激）に対する平均ERPと、発生頻度が低い音（標的刺激／オドボール）に対する平均ERPを比較できます。一方の波形の振幅からもう一方を差し引くだけで、差分波形を得ることができます。図5のように、ERP研究でよく調査される、一般にミスマッチ陰性電位（MMN）として知られるERPコンポーネントを観察することができます。
図5 – 環境のパターンに逸脱が生じた場合、ミスマッチ陰性電位コンポーネントがERPに観察されます
5. ERPの応用
バイオマーカーの特定：
ERPの最も一般的な応用のひとつは、臨床研究において統合失調症などの精神疾患をより適切に診断する方法を見つけることです。統合失調症の患者は、ミスマッチ陰性電位の反応に基づいて健常対照群と区別できる可能性があります。
図6 – ミスマッチ陰性電位の振幅は、慢性統合失調症、最近発症した患者、および発症リスクのある人々において有意に高くなります（Jashan 2012）
ERP – BCI（ブレイン・コンピュータ・インターフェース）
異なる認知的指示や視覚刺激（キーボード上の文字など）に対するERPを利用して、車椅子を動かしたり、BCIスペラー（文字入力装置）を動作させたりすることができます。
6. リソース
Emotiv マニュアル
おすすめ書籍
Luck, S.J., 2005. Ten simple rules for designing and interpreting ERP experiments. Event-related potentials: A methods handbook, 4.
1. はじめに
ようこそ！この2番目のチュートリアルでは、刺激に対する脳の反応をマーキングする方法について学びます。
以下の内容を学びます：
事象関連電位（ERP）とは何か？
ERPのピークとコンポーネント（成分）とは何か？
ERPを取得するための一般的なステップ
Emotiv EPOCデバイスとソフトウェアを使用した実践的な応用
2. 事象関連電位（ERP）とは何か？
事象関連電位（ERP: Event-Related Potential）は、誘発電位とも呼ばれ、特定の出来事や刺激（大きな音を聴くなど）に対する脳の反応です。具体的には、感覚的または認知的な出来事の結果として、EEG（脳波）に見られる電位振幅の変化を指します。
刺激の開始後に発生する安定したピークである「ERPコンポーネント（成分）」を観察することができます。ERPには多くの正または負のピークが存在しますが、それらすべてがN100やP300コンポーネントのように、十分に特徴づけられたERPコンポーネントであるわけではありません。
時間領域での脳波（EEG）を見る際は、軸の方向に注意してください。特に臨床用の脳波検査では、軸の上が「マイナス（−）」、下が「プラス（＋）」になっていることがあります。
注：ERPは単一のイベントから表現することも、そのイベントの複数回の試行（トライアル）にわたって振幅を平均化することで表現することもできます。通常、画像のように明確なコンポーネントを持つ滑らかなERPは、数百回に及ぶ試行の平均をとることによってのみ得られます。
図1 – 典型的な聴覚ERPコンポーネント
典型的なコンポーネントは、その極性（すなわち、正（P）または負（N））と、それが発生するタイミング（例：最初の負のコンポーネントであるN1など）によって特徴づけられます。同じN1コンポーネントは、発生した時間（例：音の開始から100ミリ秒後など）によっても定義され、N100と呼ばれます。
3. ERPを取得するためのステップ
実験フェーズ：
私たちは、関心のある特定のERPを取得するために実験を設計します。
例えば、参加者がオーディオトーン（音）を聴いている間に脳波データを収集します。
脳波データを理解するには、参加者が音を聴いた時点を脳波データ上にマークする必要があります。これらはイベントマーカーと呼ばれます（図2の垂直の赤線）。
図2 – 生の脳波上に表示されたイベントマーカー（赤線）
ERPを適切に観察するためには、イベントマーカーのタイミングを音の開始時点と正確に合わせることが非常に重要です！そのため、正確なタイムスタンプを取得できる適切なハードウェアとソフトウェアを選択することが重要です。
リファレンス（基準電極）の選択
電気的な活動は常に2点間で測定されることを思い出してください。脳波デバイスでは、各センサーの電位はリファレンスセンサー（DRL + CMS）に対して測定されます。
Emotiv EPOCデバイスでは、リファレンスセンサーに2つのオプションがあります。
図3 – Emotiv EPOCタイプデバイスにおけるリファレンスの選択肢
EPOCタイプ用のヘッドセットには、2つのリファレンスオプションがあります：
乳突起（マストイド）リファレンス – 乳突起をリファレンスセンサーとして使用するには、P3/P4センサーにラバーストッパーを取り付け、乳突起センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
P3/P4リファレンス – P3/P4をリファレンスセンサーとして使用するには、M1/M2（乳突起）センサーにラバーストッパーを取り付け、P3/P4センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
ERP実験では乳突起リファレンスを使用するのが一般的ですが、P3/P4リファレンスを使用することも可能です。なぜなら、解析前のデータ前処理の段階で、後からオンラインでデータの再リファレンス（リファレンスの再設定）ができるからです。データを分析する前に、すべてのセンサーの平均値へと再リファレンスすることが一般的です。
今回の実験では、乳突起リファレンスを使用してデータを収集します。乳突起（マストイド）は、頭部の他の場所に比べて脳波データを伝えにくいという、通常当てはまる適切な仮定があるため、優れたリファレンスポイントとなります。
前処理：
脳内で発生しているその他のあらゆる活動（~ ±40uV）に比べて、ERPは非常に小さな反応（~ ±5uV）であるため、生の脳波からすぐにERPを視認することはできません！
そのため、音に対する特異的な脳の反応を確認するには、データをクリーニングしてノイズやアーチファクトを取り除く必要があります。その後、データを「エポック化」します。これは、脳の反応を定義した時間枠（例：音を聴く50ミリ秒前から、聴いた後の400ミリ秒まで）に切り分けることを指す用語です。そして、切り分けられた（エポック化された）個々のすべての脳波データを平均化する（すなわち、すべての音に対する脳の反応を平均する）ことで、明確なERPが得られます。
以下は、一般的なERP処理パイプラインの基本ステップです。研究者は自身のデータや目的に応じてステップを選択します。
図4 – 一般的なERP処理パイプライン
4. 独自のERPを取得してみよう
まず、ソフトウェアを設定しましょう
PsychoPyの最新バージョンをダウンロードします – https://www.psychopy.org/ 私たちは参加者に音を提示するためにPsychoPyを使用します。
脳波を記録し表示するために、Emotiv LauncherおよびEmotivPROアプリを取得します。
PsychoPyとEmotivソフトウェアを接続し、相互に通信できるようにします。
ビデオのステップに従ってください：
PsychoPyでEmotiv EEG実験を構築する
滑らかなERPは、任意の刺激（例：画像、音）を何度も繰り返し提示することで得られます。ここでは、参加者に対して同じ50msの音を4秒ごとに約150回提示します！
ビデオの指示に従って、単一の音を使用したシンプルな聴覚実験を構築してください：
データを取得しましょう
リファレンスを選択したら、ビデオを視聴して、最高品質の脳波（EEG）を得るためのヘッドセットのセットアップ方法について学びます：
EmotivPRO Analyzerを使用したERPパイプライン
ビデオを視聴し、ステップに従ってあなた自身のERPを生成してください：
AnalyzerからのERP出力の理解
各チャンネルについて、平均化された波形が表示されます。以下は、100ミリ秒時点で負のピークを示す典型的な滑らかなERPです。実線は平均振幅を示し、薄い影の部分は平均値の標準誤差を示しています：
こちらは、明確なERPコンポーネントがないノイズの多い波形です。これは試行回数が少ないことが原因で発生する可能性があります：
考慮すべき事項
参加者間でERPを比較する場合、一般的には差分効果を比較する方が適しています。
例：パターンの中で、頻繁に発生する音（標準刺激）に対する平均ERPと、発生頻度が低い音（標的刺激／オドボール）に対する平均ERPを比較できます。一方の波形の振幅からもう一方を差し引くだけで、差分波形を得ることができます。図5のように、ERP研究でよく調査される、一般にミスマッチ陰性電位（MMN）として知られるERPコンポーネントを観察することができます。
図5 – 環境のパターンに逸脱が生じた場合、ミスマッチ陰性電位コンポーネントがERPに観察されます
5. ERPの応用
バイオマーカーの特定：
ERPの最も一般的な応用のひとつは、臨床研究において統合失調症などの精神疾患をより適切に診断する方法を見つけることです。統合失調症の患者は、ミスマッチ陰性電位の反応に基づいて健常対照群と区別できる可能性があります。
図6 – ミスマッチ陰性電位の振幅は、慢性統合失調症、最近発症した患者、および発症リスクのある人々において有意に高くなります（Jashan 2012）
ERP – BCI（ブレイン・コンピュータ・インターフェース）
異なる認知的指示や視覚刺激（キーボード上の文字など）に対するERPを利用して、車椅子を動かしたり、BCIスペラー（文字入力装置）を動作させたりすることができます。
6. リソース
Emotiv マニュアル
おすすめ書籍
Luck, S.J., 2005. Ten simple rules for designing and interpreting ERP experiments. Event-related potentials: A methods handbook, 4.
1. はじめに
ようこそ！この2番目のチュートリアルでは、刺激に対する脳の反応をマーキングする方法について学びます。
以下の内容を学びます：
事象関連電位（ERP）とは何か？
ERPのピークとコンポーネント（成分）とは何か？
ERPを取得するための一般的なステップ
Emotiv EPOCデバイスとソフトウェアを使用した実践的な応用
2. 事象関連電位（ERP）とは何か？
事象関連電位（ERP: Event-Related Potential）は、誘発電位とも呼ばれ、特定の出来事や刺激（大きな音を聴くなど）に対する脳の反応です。具体的には、感覚的または認知的な出来事の結果として、EEG（脳波）に見られる電位振幅の変化を指します。
刺激の開始後に発生する安定したピークである「ERPコンポーネント（成分）」を観察することができます。ERPには多くの正または負のピークが存在しますが、それらすべてがN100やP300コンポーネントのように、十分に特徴づけられたERPコンポーネントであるわけではありません。
時間領域での脳波（EEG）を見る際は、軸の方向に注意してください。特に臨床用の脳波検査では、軸の上が「マイナス（−）」、下が「プラス（＋）」になっていることがあります。
注：ERPは単一のイベントから表現することも、そのイベントの複数回の試行（トライアル）にわたって振幅を平均化することで表現することもできます。通常、画像のように明確なコンポーネントを持つ滑らかなERPは、数百回に及ぶ試行の平均をとることによってのみ得られます。
図1 – 典型的な聴覚ERPコンポーネント
典型的なコンポーネントは、その極性（すなわち、正（P）または負（N））と、それが発生するタイミング（例：最初の負のコンポーネントであるN1など）によって特徴づけられます。同じN1コンポーネントは、発生した時間（例：音の開始から100ミリ秒後など）によっても定義され、N100と呼ばれます。
3. ERPを取得するためのステップ
実験フェーズ：
私たちは、関心のある特定のERPを取得するために実験を設計します。
例えば、参加者がオーディオトーン（音）を聴いている間に脳波データを収集します。
脳波データを理解するには、参加者が音を聴いた時点を脳波データ上にマークする必要があります。これらはイベントマーカーと呼ばれます（図2の垂直の赤線）。
図2 – 生の脳波上に表示されたイベントマーカー（赤線）
ERPを適切に観察するためには、イベントマーカーのタイミングを音の開始時点と正確に合わせることが非常に重要です！そのため、正確なタイムスタンプを取得できる適切なハードウェアとソフトウェアを選択することが重要です。
リファレンス（基準電極）の選択
電気的な活動は常に2点間で測定されることを思い出してください。脳波デバイスでは、各センサーの電位はリファレンスセンサー（DRL + CMS）に対して測定されます。
Emotiv EPOCデバイスでは、リファレンスセンサーに2つのオプションがあります。
図3 – Emotiv EPOCタイプデバイスにおけるリファレンスの選択肢
EPOCタイプ用のヘッドセットには、2つのリファレンスオプションがあります：
乳突起（マストイド）リファレンス – 乳突起をリファレンスセンサーとして使用するには、P3/P4センサーにラバーストッパーを取り付け、乳突起センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
P3/P4リファレンス – P3/P4をリファレンスセンサーとして使用するには、M1/M2（乳突起）センサーにラバーストッパーを取り付け、P3/P4センサーに湿らせたフェルトを取り付けます。
ERP実験では乳突起リファレンスを使用するのが一般的ですが、P3/P4リファレンスを使用することも可能です。なぜなら、解析前のデータ前処理の段階で、後からオンラインでデータの再リファレンス（リファレンスの再設定）ができるからです。データを分析する前に、すべてのセンサーの平均値へと再リファレンスすることが一般的です。
今回の実験では、乳突起リファレンスを使用してデータを収集します。乳突起（マストイド）は、頭部の他の場所に比べて脳波データを伝えにくいという、通常当てはまる適切な仮定があるため、優れたリファレンスポイントとなります。
前処理：
脳内で発生しているその他のあらゆる活動（~ ±40uV）に比べて、ERPは非常に小さな反応（~ ±5uV）であるため、生の脳波からすぐにERPを視認することはできません！
そのため、音に対する特異的な脳の反応を確認するには、データをクリーニングしてノイズやアーチファクトを取り除く必要があります。その後、データを「エポック化」します。これは、脳の反応を定義した時間枠（例：音を聴く50ミリ秒前から、聴いた後の400ミリ秒まで）に切り分けることを指す用語です。そして、切り分けられた（エポック化された）個々のすべての脳波データを平均化する（すなわち、すべての音に対する脳の反応を平均する）ことで、明確なERPが得られます。
以下は、一般的なERP処理パイプラインの基本ステップです。研究者は自身のデータや目的に応じてステップを選択します。
図4 – 一般的なERP処理パイプライン
4. 独自のERPを取得してみよう
まず、ソフトウェアを設定しましょう
PsychoPyの最新バージョンをダウンロードします – https://www.psychopy.org/ 私たちは参加者に音を提示するためにPsychoPyを使用します。
脳波を記録し表示するために、Emotiv LauncherおよびEmotivPROアプリを取得します。
PsychoPyとEmotivソフトウェアを接続し、相互に通信できるようにします。
ビデオのステップに従ってください：
PsychoPyでEmotiv EEG実験を構築する
滑らかなERPは、任意の刺激（例：画像、音）を何度も繰り返し提示することで得られます。ここでは、参加者に対して同じ50msの音を4秒ごとに約150回提示します！
ビデオの指示に従って、単一の音を使用したシンプルな聴覚実験を構築してください：
データを取得しましょう
リファレンスを選択したら、ビデオを視聴して、最高品質の脳波（EEG）を得るためのヘッドセットのセットアップ方法について学びます：
EmotivPRO Analyzerを使用したERPパイプライン
ビデオを視聴し、ステップに従ってあなた自身のERPを生成してください：
AnalyzerからのERP出力の理解
各チャンネルについて、平均化された波形が表示されます。以下は、100ミリ秒時点で負のピークを示す典型的な滑らかなERPです。実線は平均振幅を示し、薄い影の部分は平均値の標準誤差を示しています：
こちらは、明確なERPコンポーネントがないノイズの多い波形です。これは試行回数が少ないことが原因で発生する可能性があります：
考慮すべき事項
参加者間でERPを比較する場合、一般的には差分効果を比較する方が適しています。
例：パターンの中で、頻繁に発生する音（標準刺激）に対する平均ERPと、発生頻度が低い音（標的刺激／オドボール）に対する平均ERPを比較できます。一方の波形の振幅からもう一方を差し引くだけで、差分波形を得ることができます。図5のように、ERP研究でよく調査される、一般にミスマッチ陰性電位（MMN）として知られるERPコンポーネントを観察することができます。
図5 – 環境のパターンに逸脱が生じた場合、ミスマッチ陰性電位コンポーネントがERPに観察されます
5. ERPの応用
バイオマーカーの特定：
ERPの最も一般的な応用のひとつは、臨床研究において統合失調症などの精神疾患をより適切に診断する方法を見つけることです。統合失調症の患者は、ミスマッチ陰性電位の反応に基づいて健常対照群と区別できる可能性があります。
図6 – ミスマッチ陰性電位の振幅は、慢性統合失調症、最近発症した患者、および発症リスクのある人々において有意に高くなります（Jashan 2012）
ERP – BCI（ブレイン・コンピュータ・インターフェース）
異なる認知的指示や視覚刺激（キーボード上の文字など）に対するERPを利用して、車椅子を動かしたり、BCIスペラー（文字入力装置）を動作させたりすることができます。
6. リソース
Emotiv マニュアル
おすすめ書籍
Luck, S.J., 2005. Ten simple rules for designing and interpreting ERP experiments. Event-related potentials: A methods handbook, 4.
読むのを続ける