事件相关电位的基础

1. 引言

欢迎！在这第二个教程中，我们将学习如何标记大脑对刺激的反应。

我们将学习：

• 什么是事件相关电位（ERP）？

• 什么是ERP峰值和成分？

• 获得ERP的典型步骤

• 使用Emotiv EPOC设备和软件的实际应用

  
  
  

2. 什么是事件相关电位（ERP）？

事件相关电位（ERP），也称为诱发电位，是大脑对事件或刺激（如听到响亮的音调）的反应。具体来说——它是由于感官或认知事件而在EEG中看到的电压幅度变化。

我们可以观察到“ERP成分”，这些是刺激开始后出现的稳定峰值。一个ERP可以有许多正或负的峰值，但并不是所有的都被确切描述为ERP成分，例如N100或P300成分。

记得在你看到时间域中的EEG时查看轴向方向。有时你会看到轴的顶部是-，底部是+，尤其是在临床EEG中。

注意：一个ERP可以由单个事件表示，也可以通过对该事件多次试验的幅度进行平均来表示。典型地，只有通过对数百次试验进行平均才能获得如图所示具有明显成分的平滑ERP。

图1 – 典型的听觉ERP成分

典型成分以其极性（即正（P）或负（N））以及发生时间（例如，第一负成分N1）为特征。相同的N1成分也可以通过它们发生的时间来识别（例如，从音调开始100毫秒）– N100。

3. 获得ERP的步骤

实验阶段：

我们设计实验以获得特定的感兴趣的ERP。

例如，我们可能在参与者听音频音调时收集EEG。

为了理解EEG数据，我们必须在EEG中标记参与者听到音调的时间。这些称为事件标记（图2中的垂直红线）。

图2 – 在原始EEG上显示的事件标记（红线）

准确对齐事件标记的时间与音调开始非常重要，以便我们能够看到ERP！因此，选择合适的硬件和软件以帮助我们获得准确的时间戳非常重要。

选择参考

记住，电活动始终是在两个点之间进行测量的。在EEG设备中，每个传感器处的电势是针对参考传感器（DRL + CMS）进行测量的。

在Emotiv EPOC设备中，有两个参考传感器选择

图3 – Emotiv EPOC类型设备中的参考选项

一种EPOC类型耳机有两个参考选项：

• 乳突参考 – 要使用乳突作为参考传感器，我们在P3/P4传感器上放置橡胶塞，并在乳突传感器上放置湿垫。

• P3/P4参考 – 要使用P3/P4作为参考传感器，我们在M1/M2乳突传感器上放置橡胶塞，并在P3/P4传感器上放置湿垫。

通常在ERP实验中使用乳突参考，但你也可以使用P3/P4参考，因为你可以在后续数据预处理时随时重新参考数据。通常在分析数据之前，会将数据重新参考为所有传感器的平均值。

在我们的实验中，我们将使用乳突参考收集数据。这里的通常好假设是乳突过程不会像头部的其他位置那样传递EEG数据，因此它是一个良好的参考点。

预处理：

我们不能立即在原始EEG中看到ERP，因为它是与我们的大脑内外发生的其他所有情况相比，非常小的效应（〜±5uV）！

因此，为了看到与我们音调特定的大脑效应，我们需要清理数据，以去除任何噪声或伪影。然后我们将数据“分段”——这是一个用于将大脑响应分割成我们定义的时间窗口（例如，从音调开始前50毫秒到后400毫秒）的术语。然后，我们平均所有单独的分段EEG数据（即对所有音调的大脑响应），以获得一个明显的ERP。

下面是典型ERP管道中的基本步骤。研究人员会根据他们的数据和目标选择步骤。

图4 – 典型的ERP处理管道

4. 让我们获得自己的ERP

首先，让我们设置软件

1. 下载最新版本的PsychoPy – https://www.psychopy.org/ 我们将使用PsychoPy向参与者呈现音调。

2. 获取Emotiv启动器和EmotivPRO应用程序以录制和查看EEG。

3. 将PsychoPy与您的Emotiv软件连接，以便它们可以相互通信。

按照视频中的步骤进行：

用PsychoPy构建一个EMOTIV EEG实验

通过对任何刺激（例如，图像、音调）进行多次重复，可以获得平滑的ERP。在这里，我们将每4秒向参与者呈现相同的50毫秒音调，大约150次！

按照视频的内容构建一个简单的听觉实验，使用单一的音调：

让我们获取一些数据

现在你选择了参考，可以观看视频，了解如何设置耳机以获得最佳质量的EEG：

使用EmotivPRO分析器的ERP管道

观看视频并按照步骤生成自己的ERP：

理解分析器的ERP输出

对于每个通道，你将看到一个平均波形。下面可以看到一个典型的平滑ERP，其中在100毫秒处有一个负峰。实线表示平均幅度，较浅的阴影表示标准误差：

这是一个嘈杂的波形，没有清晰的ERP成分。这可能是由于试验次数较少导致的：

需要考虑的事项

在比较参与者之间的ERP时，通常比较差异效应更好。

例如，我们可以查看对更频繁音调（标准）的平均ERP，与以较少频率（偏差/异常）的音调进行比较。我们可以通过简单地将一个波的幅度从另一个波中减去来获得差异波形。如图5所示，我们可以观察到一个通常被称为“偏差负性（MMN）”的ERP成分，这在ERP研究中通常被研究。

图5 – 当环境中的模式发生违反时，在ERP中可以观察到偏差负性成分

5. ERP的应用

生物标志物的识别：

ERP最常见的应用之一是帮助临床研究人员寻找更好的方式来诊断精神疾病，如精神分裂症。患有精神分裂症的人与健康对照组之间可能会基于他们的偏差负性反应而有所不同。

图6 – 偏差负性幅度在慢性精神分裂症、近期发病以及那些有发展该障碍风险的人中明显高于（Jashan 2012）

ERP - BCI（脑机接口）

不同心理指令或视觉刺激（如键盘上的字母）的ERP可用于移动轮椅或供BCI拼写器使用。

6. 资源

Emotiv手册

1. EmotivPRO构建手册

2. EmotivPRO手册

3. EmotivPRO分析器手册

推荐阅读

Luck, S.J., 2005. 设计和解释ERP实验的十条简单规则。事件相关电位：方法手册, 4。