事象関連電位の基礎

1. はじめに

ようこそ！この第2回チュートリアルでは、刺激に対する脳の反応をどのようにマークするかについて学びます。

私たちは以下を学びます：

• 事象関連電位（ERP）とは何ですか？

• ERPのピークとコンポーネントは何ですか？

• ERPを取得するための典型的な手順

• Emotiv EPOCデバイスとソフトウェアを用いた実践的応用

  
  
  

2. 事象関連電位（ERP）とは何ですか？

事象関連電位（ERP）は、誘発電位とも呼ばれ、イベントや刺激（大きな音を聞くことなど）に対する脳の反応です。具体的には、感覚または認知イベントの結果としてEEGに見られる電圧振幅の変化です。

私たちは刺激の発生後に現れる安定したピークである「ERPコンポーネント」を観察できます。ERPには多くの正のピークや負のピークがありますが、N100やP300コンポーネントのような十分に特徴付けられたERPコンポーネントではないものもあります。

時間領域のEEGを見るときは、軸の方向を確認してください。特に臨床EEGでは、上部に「-」、下部に「+」が表示されることがよくあります。

注意：ERPは、単一のイベントから表現されることもあれば、そのイベントの複数の試行を平均して振幅を取得することでも表現されます。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、100回以上の試行を平均す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)）や発生時期（例：最初の負のコンポーネントN1）によって特徴付けられます。同じN1コンポーネントは、その発生する時間によっても特定できます（例：トーンの発生から100ms） – N100

3. ERPを取得する手順

実験フェーズ：

特定の興味のあるERPを取得するために実験を設計します。

たとえば、参加者が音声トーンを聴いている間にEEGを収集することがあります。

EEGデータを理解するためには、参加者がEEGでトーンを聴いた時点を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の垂直赤線）。

図2 – 生のEEGに表示されたイベントマーカー（赤線）

イベントマーカーのタイミングをトーンの開始と正確に揃えることは、ERPを確認するために非常に重要です！そのため、正確なタイムスタンプを取得するために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。

リファレンスの選択

電気活動は常に2つのポイント間で測定されることを忘れないでください。EEGデバイスでは、各センサーの電気ポテンシャルは、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のオプションが2つあります。

図3 – Emotiv EPOCタイプデバイスのリファレンスオプション

EPOCタイプのヘッドセットには、参照用の2つのオプションがあります：

• マストイド参照 – マストイドをリファレンスセンサーとして使用するには、P3/P4センサーにゴム栓を置き、マストイドセンサーに濡れたフェルトを置きます。

• 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マストイドセンサーにゴム栓を置き、P3/P4センサーに濡れたフェルトを置きます。

一般的には、ERP実験のためにマストイドリファレンスを使用することが典型的ですが、データを解析前にオンラインで再リファレンスすることができるため、P3/P4リファレンスを使用することも可能です。データを解析する前に、すべてのセンサーの平均値にデータを再リファレンスすることは一般的です。

私たちの実験では、マストイドリファレンスを使用してデータを収集します。通常、ここでの良い仮定は、マストイドプロセスが他の頭部の位置ほどEEGデータを伝達しないため、良いリファレンスポイントとなることです。

前処理：

生のEEGではERPをすぐに見ることができません。なぜなら、それは周囲の脳の中で発生しているすべてのものと比較して非常に小さな効果（約±5uV）だからです（約±40uV）！

したがって、私たちのトーンに特有の脳の効果を見るためには、ノイズやアーティファクトを取り除くためにデータをクリーンアップする必要があります。次に、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ウィンドウに分けるために使用される用語です（例：トーンの50ms前から400ms後までの脳の反応）。次に、すべてのエポック化されたEEGデータ（つまり、すべてのトーンに対する脳の反応）を平均化して、明確なERPを取得します。

以下は、典型的なERPパイプラインの基本的な手順です。研究者は自分のデータと目的に応じて手順を選択します。

図4 – 典型的なERP処理パイプライン

4. 自分のERPを取得しましょう

まずソフトウェアを設定しましょう

1. 最新のPsychoPyバージョンをダウンロードします – https://www.psychopy.org/ 私たちはPsychoPyを使用して参加者にトーンを提示します。

2. EEGを記録および表示するためにEmotiv LauncherおよびEmotivPROアプリを取得します。

3. PsychoPyをEmotivソフトウェアに接続して、互いに通信できるようにします。

ビデオの手順に従ってください：

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、トーン）の複数回の繰り返しを使用して取得できます。ここでは、参加者に4秒ごとに同じ50msのトーンを約150回提示します！

ビデオに従って、単一のトーンで簡単な聴覚実験を構築します：

データを取得しましょう

リファレンスを選択したら、ヘッドセットの設定を最適なEEG品質を得る方法を学ぶためにビデオを見ることができます：

EmotivPRO AnalyzerによるERPパイプライン

ビデオを見て、独自のERPを生成する手順に従ってください：

AnalyzerからのERP出力の理解

各チャネルで平均化された波形を見ることができます。100msで負のピークを持つ典型的な滑らかなERPが以下に示されています。実線は平均振幅を示し、薄いシェーディングは平均の標準誤差を示します：

明確なERPコンポーネントのないノイズの多い波形が表示されています。これは試行の数が少ないことが原因です：

考慮すべき点

参加者間でERPを比較する際には、通常、差の効果を比較する方が良いです。

たとえば、頻繁に発生するトーン（標準）に対する平均ERPを、パターンで発生する頻度が低いトーン（逸脱/異常）と比較することができます。1つの波の振幅から別の波の振幅を単純に引くことによって、差の波形を取得できます。図5のように、ERPコンポーネントの不一致負の応答（MMN）を観察することができます。これはERP研究で一般的に研究されます。

図5 – 環境のパターンに違反したときにERPで観察される不一致ネガティビティコンポーネント

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1つは、精神障害（統合失調症など）の診断方法を改善するための臨床研究です。統合失調症を患っている人々は、その不一致ネガティビティ反応に基づいて健康な対照者と区別される場合があります。

図6 – 不一致ネガティビティの振幅は、慢性統合失調症、最近発症した場合、または障害を発症するリスクがある人々において有意に高い（Jashan 2012）

ERP – BCI（脳-コンピュータインターフェース）

さまざまな精神的命令や視覚刺激（キーボードの文字など）に対するERPは、車椅子を操作したり、BCIスペラーを動かしたりするために使用される可能性があります。

6. リソース

Emotivマニュアル

1. EmotivPROビルダーマニュアル

2. EmotivPROマニュアル

3. EmotivPROアナライザーマニュアル

推奨文献

Luck, S.J. (2005). ERP実験の設計と解釈のための10の簡単なルール。事象関連電位：方法のハンドブック、4。