第11章 脑认知成像技术 一、目的要求： 了解脑认知实验技术。 二、讲授内容： （一）大脑结构与功能的关联问题和脑认知成像技术 （二）现代脑认知成像技术简介 （三）功能磁共振成像 （四）研究实例：似动的fMRI研究 任何一项研究的目的都在于揭示事物的本质，心理学研究也不例外。怎样使研究结论更加贴近心理活动的本质，这是一直以来心理学工作者追求的目标。具体来说，这一目标可以细分为多个角度：（1）深入化，即如何更好地透过纷繁复杂的心理现象，揭示心理过程内部机制，包括心理和生理机制；（2）定量层面上的综合，即如何将本来分散的定量资料统合起来，从全局的角度分析某一领域的成果；（3）仿真度更高，即如何才能更加接近真实生活中的心理现象。研究者们设计了诸多新技术、新方法来达成上述目标。 近年来，研究者应用脑功能成像技术剖析心理过程所对应的脑神经生理表征，将心理学研究更推向深入。 近20年来，随着现代物理、电子与计算机技术的迅速发展，脑功能成像技术取得了长足的进步，一批功能强大的无创性脑功能成像手段相继诞生。这促使研究者们对脑功能成像技术及其在认知过程、情绪过程中的应用产生了浓厚的兴趣，将它们迅速应用到认知神经科学以及心理学的各个领域中，并取得了许多突破性成果，促进了这些领域研究的深入化进程。 一、使用脑功能成像技术的理由 我们已经知道，脑的许多功能都是定位于大脑的神经组织结构之中的，基于此，研究者们开始试图成像出那些参与到不同脑结构激活中的基本过程。现代神经成像技术假定，我们可以根据组成复杂心理过程的一些基本操作的结合来对其进行最好的描述，这些基本过程并不是定位于大脑中的某个单一部位，而通常是神经元网络共同作用的结果。神经成像的这一假定自然而然地导致了人们对与基本心理过程相伴随着的脑激活的探讨。而将这些基本过程成像到大脑中的区域和功能性网络就是现代脑成像研究的主要目标。 对不同脑结构功能的详细成像可以为我们提供关于基本心理过程的可靠证据。一旦我们确定特定的脑区与某一心理过程有关系，就可以超越这种结构与功能的简单对应关系，而使用统计技术（如区域间相关、因素分析、结构方程建模等）来进一步考察与复杂心理任务有关的激活环路，分析出心理任务中包含了哪些基本过程的结合。这样，通过考察激活模式，我们就能从简单到复杂，并能了解在某一模式中所激活的结构所具有的功能。此外，在脑损伤研究中，还能帮助我们推测受其影响何种脑功能会丧失。 使用功能脑成像技术的另一个原因是它可以分离心理过程。如果我们能够获得不同心理任务所导致的激活模式的数据，就可以用它来检验这两个任务是否存在双重分离（Smith&Jonides，1995）。这种分离的原理是：假设某特定脑区A处理某认知过程a；类似地，某特定脑区B处理某认知过程b。假设有1、2两种心理任务。任务l需要心理活动a参与而不需要b；任务2需要心理活动b参与而不需要a。如果我们在被试完成这两种任务时对其大脑中的激活进行成像，就会发现，脑区A在任务1中得到了激活而未在任务2中得到激活，脑区B则恰恰相反。由于两个不同的激活脑区的存在（通过脑功能成像技术可对脑区作空间上的限制，使二者不叠加），我们便可得出任务中存在着两个独立心理过程的结论。这个逻辑既适用于脑区A和B分别是大脑中的某个单一位置的情况，也适用于它们分别是由多个单一位点联系而成的网络系统的情况。因此，该方法得到了广泛的应用。 举个例子来说，研究者曾假定工作记忆可能至少由两个子系统组成，一个用来处理空间信息，另一个用来处理言语信息，这个假设后来在对正常和脑损伤被试的行为研究中得到了证实（Jonides，etal．，1996）。但一个关键性的发现却是通过对空间和言语工作记忆任务的不同脑区激活的比较得来的。研究者通过脑功能成像技术发现，在完成空间工作记忆任务时，大脑右半球新皮层的作用占主要地位，而言语空间记忆任务主要是左半球新皮层的机制，这便证实了工作记忆是由两个独立的系统组成，它们分别对不同类型的信息进行加工，在一些比较复杂的情况下，两个任务可能既激活了一些不同的位置，还激活了相似的位置，此时，通过对这些共同的和不同的位置进行记录，我们就可以解释两个任务中所包含的过程。如果事先通过其他研究已经知道了每个位置的功能的话，那我们就可以对这些任务中的过程有更充分的理解。 目前，使用成像数据来评估双重分离已经变得非常普遍。这些数据的含义已经超出了以往那些从正常和脑损伤被试的行为数据上所得出的双重分离。在正常被试的行为实验中，双重分离可以通过寻找两个分别影响不同任务的实验变量来建立，这个模式可以让我们得出两个任务中所参与的心理过程不同的结论（如前面章节中所讲到的实验性分离、加工分离程序等）。但这种分离的弱点是，还不能对所参与的特定心理过程作出详细的解释和说明。而在脑损伤被试的行为实验中，研究者则通常会寻找两个患者：一个能完成任务A而不能完成任务D，另一个正相反，这个模式同样能使我们得出不同任务对应不同心理过程的结论。但此方法存在的一个弱点是；脑损伤病人有时会发展出补偿机制以弥补其缺陷，在此情况下研究者的结论就有可能被误导，错误地以为两个任务对应或者没有对应不同的心理过程；何况从脑损伤者的研究结果能否作为普遍情况而推广到正常人群，也还值得斟酌。和上述分离技术相比，脑功能成像技术提供的对正常被试进行双重分离观察更直接，它不依赖其他实验变量的选取。 因此有条件的研究者往往愿意将此技术作为对实验研究的有益补充。 二、两种计主要的脑功能成像技术——PET和fMRI 鉴于脑功能成像技术的重要作用，目前心理学各个领域的研究者已经开始越来越多地使用它来为其研究服务。到目前为止，已成功开发了许多脑功能成像技术，如fmRI、PET、单一正电子发射计算机断层扫描技术（single positron emission computerized tomography，简称SPECT）、事件相关电位、脑电图、脑磁图和近红外线光谱分析技术（near-infrared spectroscopy）等。其中，在心理学研究中采用得最为普遍的有两种——PET和fMRI。这两种技术的主要优势是：（1）可以应用于人体实验；（2）能够在空间分辨率与时间分辨率之间寻找一个平衡点；（3）可用来绘制全脑的图像。其中最后一个特点使得人体研究与动物研究的协同成为可能。例如，动物研究中的单细胞记录技术可以提供精确至单个神经元的空间分辨率和精确至毫秒的时间分辨率，但其弱点在于通常只单独考察某个脑区而忽略了其他一些重要脑区。而运用PET和fMRI则很适合于对全脑的活动过程进行探测分析，有利于提出关于特定脑区的新假设并可在动物模型中进行检验，还可用于检测不同脑区在特定心理功能中的交互作用，这就为动物模型中单个细胞行为的分析提供了必要的补充。 下面我们就对PET和fMRI这两种技术作一简要介绍。 1．测量内容 PET和fMRI的测量内容包括结构像扫描（structural scan）、局域脑激活（regional brain activation）、解剖联系（anatomical connectivity）、受体结合（receptor binding）和基因表达（gene expression）。表1中概括了以PET和fMRI为测量工具时可检测到的多种参数。 表1PET与fMRI的方法概要 成像内容 PET fMRI  脑结构 局域脑激活 解剖联系 受体结合与局域 化学分布 基因表达  血流量（15O） 葡萄糖代谢（18FDG） 氧消耗 苯（并）二氮、多巴胺、乙酰胆碱等 动力学建模 多种同位素示踪化合物 Tl和T2扫描 BOLD（T2） 动脉自旋标记（AST） FAIR 扩散张量成像 核磁共振光谱学 动力学建模中的核磁共振光谱学  （采自Hernandez-Garcia&Jon!des，2002） （1）结构像扫描。常用的结构像扫描技术是对灰质和白质的解剖扫描。fMRI可以对灰质和白质进行分辨率低至1毫米3的详细解剖扫描。这在对两个群体间的结构差异进行比较时很有用处，如比较精神分裂者与非精神分裂者之间的个体差异（Andreasen，eta1．，1994）；还可用于研究练习等变量所导致的脑结构的变化，如新近一项研究发现，经过大量的空间导向练习后，伦敦出租车司机的海马后侧核明显变大（Magurie，eta1．，2000）。另一种结构像扫描技术是扩散张量成像（diffusiontensorimaging，简称DTl），此技术可用来识别人脑中的白质纤维通路，这将有助于研究诸如胼胝体等的结构以及这些结构随年龄等变量发生的变化。 （2）局域脑激活。这可能是PET和fMRI应用最广泛之处。它们常被用来考察伴随着神经系统活动性改变而发生的新陈代谢和脉管系统某些特性的变化。 通过PET，可以分别测量葡萄糖代谢、氧消耗和局域脑血流量（rCBF）。这些测量技术中的任何一种都可以使我们作出关于神经系统活动性定位的推断，此推断是建立在下述假设基础之上，即神经系统的活动性会伴随着新陈代谢、氧消耗或血流量的改变。而fMRI所使用的基于血氧水平的大脑活动成像技术（blood oxygenation level dependent，简称Bold），则对血容量以及整个大脑血液中脱氧血红蛋白的浓度都很敏感。其基本原理是：在某个区域内脱氧过多的血液会引起BOLD信号的下降；神经系统的活动性伴随着血流量的增加，而血流量的增加会稀释脱氧血红蛋白的浓度，并导致BOLD信号的相对增加（Hoge，et al．，1999）。 （3）解剖联系。扩散张量成像是目前脑成像技术中发展起来的一种用以对联结各脑区的白质纤维通路进行成像的新方法。现在通常将标准核磁共振成像扫描仪设定成对水扩散敏感以便评估每个脑区中的水扩散张量（Peled，Gudbianssn，Westin，KikinisaL &Jolesz，1998）。我们可以仅仅将张量看成是对x、y、z三个方向上的运动的测量（向量则是一种特殊的张量）。研究者所感兴趣的是不同脑区中张量的形态。在脑室和其他一些流动性空间内，水扩散很容易朝向所有方向而形成球形的张量；在大脑的边缘和其他区域中，水扩散可能会因受限而朝向一个方向，产生平面的张量；然而，在白质纤维通路附近，水扩散最容易沿着纤维通路的方向展开，这样便产生了一个沿着纤维通路轴的方向上很大，而在其他方向上很小的扩散张量。这些线性张量标明了大脑中白质纤维通路的存在及其方向。纤维通路中轴突纤维的密度、髓鞘形成的程度、纤维直径以及纤维投射方向的相似性等因素都可以影响张量的形态，因而张量成像也可以反过来提供这些解剖结构信息的推断依据。 （4）受体结合。特殊化学药品对特定类型的神经递质受体的亲和力为研究者考察人脑的功能性神经化学提供了支点。将放射性标记附加在仔细选出的化合物上，然后将其注入被试的动脉内。注射可以是一次性的，也可以是持续注入直到大脑浓度达到一个稳定的状态。此方法可以用来反映大脑中某一特定类型受体的浓度，还可用以反映任务操作过程中伴随着的特定类型受体结合的数量，例如，它曾被用来研究人们在玩游戏过程中体内多巴胺的结合情况（Koepp，1998）。 （5）基因表达。最近，PET和{MRI的一些新技术使得研究者能够对大脑中的局部基因表达进行研究。一方面，使用PET，研究者可以通过对大脑中某种酶的酶作用物的化合物进行同位素示踪，来成像该酶的分布情况。一旦被标记过的酶作用物转变为酶，标记就会留在组织内，并发射出可以被PET的摄像机探测到的持续信号。一项新近研究正是使用此种方法标记了支配着小鼠体内一种特定基因表达的腺病毒酶（adenoviral enzyme）的酶作用物，这间接标记了基因表达（Gambhir，et al.，1999）。另一方面，核磁共振光谱学（magnetic resonance spectroscopy）也为我们提供了另一种成像与基因表达有关的酶和生化药剂的方法。 2．评价 作为两种最主要的脑成像技术，PET和fMRI各有其独特的特点，使得它们分别适用于不同类型的实验并解决某类型的成像问题。下面的表2中概括了它们各自的优点。 表2 PET和fMRI的优点 PET fMRI  ●成像受体和其他刺激神经组织的作用物 ●对葡萄糖代谢进行直接测量 ●没有核磁感受性的人为现象 ●可为听觉任务创造安静的环境 ●在靠近流动性空间处成像 ●因不存在磁场而易与ERP及其他测量设备结合 ●可重复扫描 ●可进行单被试分析 ●更高的空间分辨率 ●更高的时间分辨率 ●单一试验设计 ●评估血动力反应，分离刺激与任务 ●造价较低  （采自Hernandez-Garcia&Jonides，2002） 尽管PET和fMRI各自所具有的优点使其能够对很多内容进行测量，但在实际测量中，由于某些因素限制了PET和fMRI的测量范围，因此导致PET和fMRI在实际测量中是有局限性的。这种局限性主要表现在以下方面。 （1）空间局限性。某些空间上的局限性限制了PET和fMRI所能测量的内容，例如，这两种技术皆不能成像出细小的皮层下结构，也不能对皮层的激活进行细致的分析。PET的空间分辨率通常在1-1.5厘米3的范围内，这就无法对大脑中集中区域的神经系统活动性进行实验检测。fMRI的空间分辨率虽然可以达到1毫米3，但在进行功能性研究时却通常要设定在3毫米3，这种空间分辨率上的限制所造成的影响是，某些结构中的激活可能被错误定位或完全漏掉。 （2）人为激活（artifactual activation）现象。人为激活指的是那些并非由神经系统的活动所导致的激活，它可能是由一些预料不到的来源所致。例如，一项研究中得到了与对颞极的电刺激的期待有关的显著PET激活，然而，后来研究者才发现这个短暂的激活实际是位于下颌，导致这个结果的原因是被试预料到了电刺激而咬紧了牙关。诸如此类事先难以预料的因素均可能对实验结果的真实性产生很大的影响。 （3）时间分辨率（temporal resolution）的限制。PET和fMRI另一个重要的局限性在于数据获得的时间分辨率。由于PET计算的是从一个脑区放射出的放射能数量，因此在真正采集到足够的放射性计数样本之前，至少已经经历了30秒的扫描时间，这就将其时间分辨率限制在至少30秒的时间段内，而这段时间已经比大多数认知过程的时间分辨率长出许多了。同样，由于对神经事件的血动力反应存在着潜伏期和持续时间，这使fMRI也具有其自身的时间限制，例如，血流量的变化通常要在神经事件结束后的数秒才能达到高峰，这便影响到fMRI在某些研究应用中的时间精度。 （4）负载循环（duty cycle）。PET和fMRI的最后一个局限性是任务的负载循环。为了引起一个可测量的反应，神经事件必须在测量时间段中占有很大的比例，例如，如果某个过程中只有少量的神经细胞激活，或者激活的持续时间相对于测量技术的时间分辨率来说太短，那么这个神经事件的信噪比就会很低而很难被探测到。尽管诸如闪光等能引起短暂神经事件的过程可以通过使用神经成像手段而被探测到，但研究者仍需要对实验进行精心设计以保证所感兴趣的过程能够占据测量时间的大部分。为了进一步对负载循环所造成的影响进行解释，我们可以想象一个关于斯特鲁普效应的神经成像研究。在研究中向被试呈现一系列用彩色墨水印刷的颜色词，被试的任务是指出用来印刷单词的墨水的颜色。其中呈现的单词与墨水颜色之间关系分为一致（如用蓝色墨水印刷的“蓝色”）和不一致（如用红色墨水印刷的“蓝色”）两种条件。在PET扫描中，每2分钟变换一次呈现条件，在这2分钟内，被试尽可能多地完成对单词颜色的命名。由于允许被试在规定时间内自定步调进行操作，就产生了负载循环问题。因为，一致条件下的被试在2分钟内会更多更快地完成任务，相应地，视觉、运动以及其他一些认知过程得到了更多的激活。这样，当研究者对两种条件下得到的数据进行比较时就会发现，与反应计划和执行有关的布洛卡区、运动皮层和前运动皮层在不一致条件下的激活减少了，这种去激活作用很容易使研究者错误地得出结论。 简言之，脑功能成像技术所具有的诸多优势使得它们在心理学和认知神经科学中占据了越来越重要的地位。而这些技术在心理学研究中的运用，在很大程度上解决了有关大脑结构与功能的关联性问题，更进一步加深了人类对自身认知活动的理解。 三、ERP （一）ERP原理及提取技术 活的人脑总会不断放电，称为脑电（EEG），但成分复杂而不规则。正常的自发脑电一般处于几微伏到75微伏之间。而由心理活动所引起的脑电比自发脑电更弱，一般只有2到10微伏，通常淹埋在自发电位中。所以ERP需要从EEG中提取。 1.1 开放电场 脑电（EEG）是由于皮质大量神经组织的突触后电位同步总和而成，而单个神经元电活动非常微小，不能在头皮记录到，只有神经元群的同步放电才能记录到。 这种脑组织神经元排列方向一致的情况，构成所谓的开放电场（open field），反之则是方向不一致相互抵消的封闭电场（closed field）。 开放电场与封闭电场图示 因此，ERP只能反映某些脑部的激活情况，而有些脑部即使处于激活状态，但由于其神经元没有能够形成开放电场，ERP上也是反映不出来的。 影响ERP信号记录的其它因素 除神经元的排列方式外，记录点与神经元活动的距离也会影响ERP信号的采集。这样就区分出了近场源与远场源，初级体感诱发电位位于中央后回，是典型的近场源，而脑干听觉诱发电位是典型的远场源。离头皮越远则电位衰减越厉害，记录到的脑电波幅也很小。 1.2 ERP的两个重要特征 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）。 1.3 叠加技术 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。 ERP分段叠加显示图 1.4 ERP是平均诱发电位 叠加n次后的ERP波幅增大了n倍，因而需要再除以n，使ERP恢复原形，即还原为一次刺激的ERP数值。所以ERP也称为平均诱发电位，平均指的是叠加后的平均。这样就获得了所希望的事件相关电位波形图。 因此，对于ERP研究来说，为了提取事件相关脑电位变化，传统上不得不进行多次重复刺激（次数记为n）。现在，可以通过计算机叠加技术轻松实现上述过程。 1.5　ERP信号的优势与缺点 ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间精度可达到微秒级。极高的时间分辨率是ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据，特别是反应时间（RT）很好地配合，以研究认知加工过程的规律。 通过叠加技术获得的与事件发生进程有锁时（time-lock）关系的脑电就称为事件相关电位（ERP）。 ERP的主要弱点在于低的空间分辨率，ERP在空间上只能达到厘米级，主要的影响因素是容积导体效应与封闭电场问题。另外，ERP只能采用数学推导来实现脑电的源定位，比如偶极子，这种方法的可靠性也是有限的。 1.6　头部定位系统 ERP记录装置是一个电极帽，上面有多个记录或吸收头皮放电情况的电极，这些电极在帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制定的10－20系统（Jesper, 1958）确定的。 每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定位置头皮上的放电情况，掌握10－20系统是进行ERP学术交流的条件之一。 10－20系统的原则是头皮电极点之间的相对距离以10%与20%来确定，并采用两条件标志线。 一条称为矢状线，是从鼻根到枕外隆凸的连线，从前向后标出5个点：Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz，Fpz之前与Oz之后线段长度占全长10%，其余各点间距离均占全长的20%。 另一条称为冠状线，是两外耳道之间的连线，从左到右也标出5个点：T3、C3、Cz、C4、T4。T3和T4外侧各占10%，其余各点间距离均占全长20%。 注意，Cz点是两条线的交汇点，常作为确定电极帽是否戴正的基准点。 （二）主要ERP成分及经典研究 ERP的先驱研究者经过四十多年的积累，发现了一些经典的ERP成分，在发现这些成分时所使用的一些研究方法对于后来者有启发。 　其中与心理学研究密切相关的成分主要包括CNV、P300、MMN、和N400等。 2.1　CNV CNV（Contingent Negative Variation）关联负变。实验中，告知被试，他将得到两个信号（声音或闪光等），他的任务是在第一个信号出现后开始准备反应，但并不反应，当出现第二个信号之后则要尽快做出反应；两个信号之间的时间并不固定。 结果发现，在两个信号之间，被试的脑电出现了负向偏转（或负向变化，负变），这个脑电负向变化形成的类似高原的波形就是CNV，在被试完成按键反应后CNV就消失了。 这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在Nature（203，380－384）上。 Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，一般只有几个，所以无法解决CNV的源定位问题。 CNV被认为主要与心理因素有关。比如期待、意动、朝向反应、觉醒、注意、动机等，可以认为它基本上是一个综合的心理准备状态的反映，处于紧张或应急状态的反映。 2.2　P300及Oddball范式 P300是Sutton于1965年发现，发表在当年的Science（150，1187－1188）上。 按照ERP的成分划分方法，根据潜伏期的差异，10ms内为早成分，10－50ms为中成分，50－500ms为晚成分，500ms以后则称为慢波。P300显然属于晚成分。 Oddball范式 在发现P300时使用了一个称为Oddball的经典ERP实验范式。Oddball实验范式的要点是，对同一感觉通道施加两种刺激，一种刺激出现概率很大，如85%，另一种刺激出现的概率很小，如15%。 两种刺激以随机顺序出现，这样，对于被试来说，小概率刺激的出现具有偶然性，因为它很少才出现一次，感觉有点怪（Odd）。但实验任务却要求被试关注小概率刺激，只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。可见这里的靶刺激是小概率刺激。 Oddball范式示意图 在这种条件下，实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波，称为P300，这个波在Pz点附近最高。研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关，其潜伏期随任务难度增加而变长。 P300反映的认知过程，一种解释认为，P300代表知觉任务的结束，即对所期盼的靶刺激或目标刺激做出有意识加工时，相关顶叶或内侧颞叶部位受到激活，产生负电位，当加工结束时这些部位又受到抑制，于是出现了P300。 而Donchin（1981）认为，P300的潜伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间，而P300波幅反映的是工作记忆中表征的更新。后一种观点得到支持更多，这意味着P300也许可成为研究高级认知过程，比如工作记忆的脑机制，特别是过程机制问题。 另外，P300也普遍存在于哺乳动物中，如老鼠、猫、猴等，这说明P300可能代表着神经系统的某种基本活动。 近年来精确脑定位手段，如fMRI，发现P300的脑内源不只一个，因而P300不是一个单纯的成分，与多种认知加工有关。现在，P300的概念发生了变化，许多潜伏期很不相同的波形也称为P300，这样就成了一个家族，称为晚正复合体（late positive complex）。 2.3　MMN MMN（mismatch negativity）译为失匹配负波，它的也是采用Oddball范式得到的。经典实验是这样的做的，在Oddball范式下，大概率刺激为1000Hz纯音，小概率刺激为800Hz纯音，分别在两只耳朵中出现，让被试进行双耳分听，只注意一只耳的声音，并对小概率刺激做出反应，不注意另一耳的声音。 结果发现，无论注意与否，在约250ms内，小概率刺激均比大概率刺激引起更高的负波。以小概率刺激引起的ERP减去大概率刺激引起的ERP，会得到一个差异波，是一个存在100－250ms之间的明显的负波。 MMN图示 MMN与标准刺激/偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强MMN，标准刺激为80db，偏差刺激分别为57db, 70db, 77db。 这一结果最早由Naatanen（1978）报告。随后的一系列研究表明，MMN反映的是人脑对刺激差异的无意识加工，即使在两种刺激都不加以注意的情况下也出现了MMN，这说明人脑有对刺激间差异进行无意识加工的能力，或者说人脑能够对不同刺激自动地做出不同的反应。 2.4　N400 N400，是研究脑的语言加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这一篇报告发表在当年的Science（207，203－205）上。他们通过屏幕向被试呈现一些句子，句子的每个单词从前往后是逐个出现的，先出现的几个句子都是正常的符合语法和语境的。在呈现句子时同步记录每个单词呈现后引起的脑电变化。 实验设计前几个句子都是正常的，最后一个句子的最后一个单词是明显畸义的。实验观察到在这个畸义词出现之后400ms左右出现了一个新的负成分，这就是N400。 目前一般认为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。但进一步研究发现，与P300相似，N400也有许多子成分，分别与不同的认知过程相关，有彼此不同的脑内源。而且也发现N400不仅与语言加工有关，面孔、图画等非语言刺激也能诱发N400。 （三）刺激呈现与数据处理 实验程序采用Eprime软件编制。 基本实验流程包括实时（on-line）刺激呈现、头皮脑电放大、模数转换（数据采集）以及实验结束后离线式（off-line）数据分析。 数据的离线处理的程序：合并脑电数据与行为数据、去除眼电、分段、滤波、基线调整、排除伪迹、删除坏电极、平均叠加、保存、总平均，共10个步骤。 E-Prime简介 E-Prime是实现心理实验计算机化的一个可视化编程语言平台，是一个涵盖实验生成到毫秒精度的数据收集分析的应用软件套装。 功能：实验设计、生成、运行、收集数据、编辑和预处理分析数据 Eprime的优点 E-Prime能呈现的刺激可以是文本、图像和声音（可以同时呈现三者的任意组合） 提供了详细的时间信息和事件细节（包括呈现时间、反应时间的细节），可供进一步分析，有助于了解实际实验运行的时间问题 专门面向心理实验，并针对心理实验的时间精度作了优化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达毫秒 相对于传统编程语言，E-Prime易学易用，实验生成快速 E-Studio - Interface 3.1　合并行为数据与脑电数据（merge task data） 首先要保证在数据记录时实验过程得到完整记录，即以时间进程为轴，使行为反应和脑电变化得到同步记录，实现锁时（lock time），这也是事件相关脑电的本质含义。如果行为数据与EEG数据不能同步匹配，则不能按行为操作进行平均与分析。 正确合并两种数据之后，就可以根据不同标准对数据进行分类，比如，可以看看造成被试行为反应正确或错误的刺激引起的同步脑电变化是怎样的，就可根据正确或错误的反应进行分段，实现这种分析比较。 3.2　减少眼电伪迹（Ocular artifact reduction） 眼电（EOG）是最常见的伪迹，对EEG影响很大，越往头皮前部越显著。减少眼电的方法一是删除，一是校正，由于删除EOG也会删掉其他各导有用的数据，因此多采用校正的方法。 眼电校正的方法有多种，但原理都是从EEG中减去EOG。一般步骤如下：找到眼动电位的最大值，构建一个平均伪迹反应，峰对峰、点对点地从EEG中减去EOG。 3.3　对脑电分段（Epoch） 按照预设的分析时程，以刺激物发生为起点，对连续记录的EEG数据按照事件发生时段进行分段。 3.4　滤波（filter） 目的在于排除50Hz市电干扰和其它伪迹，这是根据频率来处理的。在Type设置时，需要注意，所谓的低通（low pass）是让所有频率低于设定值的信号通过，实际上是设定一个可通过频率的最大值；而高通（high pass）是让所有频率高于设定值的信号通过，实际上是设定一个可通过频率的最小值。 　另外，带通（band pass）是让介于两个频率值之间的信号通过，而带阻（bass stop）则是让两个频率值之外的信号通过。 3.5　基线校正（baseline correct） 　校正时一般选择所有导联（all channel），即对所有电极点都进行校正。基线是根据Epoch时设置的刺激前到0点的时间段上的波形，一般设定为100ms。 3.6　排除伪迹（artifact rejection） 　这也是对波幅进行处理，不过它可以针对一导或多导，根据某一范围的数值，比如±100μV，超出这一范围的成分则被删除。 3.7　删除坏电极通道（delete bad channels） 　进入电极状态图，如果电极是坏的，将显示为红色，对这些红色电极加以双击使之变成绿色，然后确定即删除坏电极。 3.8　平均（average） 　根据需要，选取time domain或frequency domain进行平均叠加。这一步主要是对相同任务引起的刺激加以叠加。 3.9　保存（output file） 将生成的平均文件存盘。在数据处理过程中要多次保存，每次保存的文件名要取为相同，不要担心被覆盖，因为后缀名是不同的。 3.10　总平均（grand average） 现在的可以生成自动批处理文件，由于不同被试做的任务相同，所以脑电数据的处理一般也是相同，如果每个被试的数据都逐一设置则非常费时费力。可以通过对一个被试数据的处理，尝试各个参数的最佳值，然后将这些设置保存成批处理文件，如此可对所有被试的数据很快地处理完。分析者可以相当轻松。 早期ERP报告都是报告个别被试的几个电极点的脑电变化，现在由于计算机技术的发展能够做到对多个被试的数据进行总平均了，现在报告的ERP图形一般都是总平均图。 注意 行为数据的采集，包括反应时间、按键反应、正确率和错误率、以及事后的口语报告（由于口语报告会产生大量肌电，所以ERP研究一般不能进行实时的口语报告或出声思维） （四）波形的识别与测量 得到一系列波形后，要从中识别不同成分以及成分所代表的心理意义是ERP研究的技术难点。一般通过峰潜伏期、波形及其头皮分布，参照总平均图与相关研究文献进行判断，而丰富的经验也很重要。 波幅测量有基线－波峰和波峰－波峰两种，潜伏期常以刺激起始点到波峰顶点之间的时间段代表。一般认为，波幅反映大脑的兴奋性高低，而潜伏期则是神经活动与加工过程的速度与评价的时间。 4.1　定性分析 将不同事件（条件）引起的脑电波形加以比较，重点比较的内容包括：潜伏期、始潜时和波幅等指标，两种条件造成的波形在头皮上的分布情况，以及定位分析。 然后进行源定位分析，包括脑地形图、偶极子定位等。 定性分析 相减技术 4.2　脑电地形图 是将脑电信号转换成一种既能定量也能定性的脑波图形，可以将大脑在某一时间点上的功能变化与形态定位有机地结合起来（将功能状态与激活状态结合起来）。地形图中相同颜色的区域代表激活程度相同（电压相等）。要绘出脑地形图至少需要12导记录电极，理论上越多越好。 脑电地形图可以看作大脑各部位的激活在头皮上的表现。地形图可分为二维（平面）地形图、三维（立体）地形图和实际头形地形图。 4.3　偶极子定位 　偶极子（dipole）是由多对数值相等、符号相反的电荷，彼此相隔一定距离时形成的体系。偶极子被认为是ERP的脑内源。 　在神经冲动的传导过程中，在两个神经元之间的突触处形成负离子占优，在下一个神经元的顶树突处形成一个纯粹的细胞外负电位，同时在此神经元的其它部分（细胞体和基底树突）又形成一个纯粹的正成分，这样就构成了一个微小的电流偶极子。 偶极子产生原理示意 当刺激引起大脑某部位激活时，多个相同方式激活的神经元所构成的电流偶极子将累加，这样将形成一个大偶极子其电位将通过大脑的传导到达头皮，虽受到脑脊膜和颅骨的阻抗，但仍可在头皮记录到。 ERP在头皮记录到的就是这种脑电信号。通过逆运算（inverse operation），即根据结果来估计原因，从头皮记录到的脑电情况来逆推其发生源，因而偶极子的确定严重依赖于算法，由于导联数目的限制和脑电在脑内传导时衰减和扩散，其准确性受到影响。 附：我们优势和劣势 发挥实验心理学传统优势， 深刻的理解心理学问题，提出创新性假设 技术上不熟练，影响了假设的实验验证。 没有稳定的研究团队，特别是多学科背景的长期合作者