第 11章 脑认知成像技术
? 主要内容
? 一、使用脑功能成像技术的理由
? 二,PET和 fMRI
? 三,ERP
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。
理由
? 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。
? 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。
例子
? 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，
二,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。
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）
? 基因表达（ gene expression）。
PET和 fMRI可检测到的多种参数
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
2.评价
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
缺点
? （ 1）空间局限性
? （ 2）人为激活
? （ 3）时间分辨率
? （ 4）负载循环
三,ERP
? （一） ERP原理及提取技术
? （二）主要 ERP成分及经典研究
? （三）刺激呈现与数据处理
? （四）波形的识别与结果解释
（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记录装臵是一个电极帽, 上面有多个
记录或吸收头皮放电情况的电极, 这些电极
在帽子上的位臵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
位臵头皮上的放电情况, 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%。
Pg1 Pg2
Fp1
Fpz
Fp2
FzF3
F7
F4
F8
A1 A2
CzC3C5 C4 T4T3
C6
T5 T6
PzP3 P4
Oz
O1 O2
Cb1
Cb2
国际 10— 20脑电记录系统
（四）导联方法
矢状线
冠状线
? 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 。
叠加 12次,Cz点。
A:短声,B:闪光,C:短声 +
闪光。
前三种情况都不出现 CNV.
第四种情况下，令被试在
闪光出现时尽快按键，
按键即将闪光终止，只
有这时才出现 CNV.
? 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 。
Sutton等首先报告 P300 （ Science,1965 ）
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与任务难度
P300潜伏期随任
务难度的增加而
延长
实线：具体人名
虚线：人名性别
断线：出现的词中挑
出“刺”的反义词
? 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。
语义畸异程度越
大 N400越大：
THE PIZZA
WAS TOO HOT
TO …
? 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
E-Studio 由四个
部分组成,
1.Toolbox
2,Structure
View
3,Properties
Window
4,Workspace
ERP实验流程
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设臵时, 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时设臵的刺激前
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臵则非常费时费力 。
可以通过对一个被试数据的处理, 尝试各个参数的
最佳值, 然后将这些设臵保存成批处理文件, 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 。
-200 200 400 600 800 ms
-2.0
-4.0
2.0
4.0
6.0
潜伏期
基线 —— 峰
峰 —— 峰
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 。
① 设臵条件 1与条件
2，分别产生 A峰 B峰。
② 测量并比较峰 A
与峰 B的潜伏期、始潜
时、波幅等指标。
③ 比较条件 1与条件
2的波形在头皮的分布。
定性分析
相减技术
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。
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 。
? 根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩
色地形图、灰度地形图、等高线地形图
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 。
~30 mm2 = 5.5×5.5 mm2
Size of Macroscopic Neural Activity
Equivalent Current Dipole (Primary current) (~50 nAm)
parameters:
position, x,y,z
direction, q,f
magnitude, m
+- -
cell body
sink
source
synapse
+
Equivalent current dipole model:
cortex
Microscopic current flow
(~5×10-5 nAm)
? 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
? 主要内容
? 一、使用脑功能成像技术的理由
? 二,PET和 fMRI
? 三,ERP
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。
理由
? 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。
? 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。
例子
? 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，
二,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。
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）
? 基因表达（ gene expression）。
PET和 fMRI可检测到的多种参数
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
2.评价
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
缺点
? （ 1）空间局限性
? （ 2）人为激活
? （ 3）时间分辨率
? （ 4）负载循环
三,ERP
? （一） ERP原理及提取技术
? （二）主要 ERP成分及经典研究
? （三）刺激呈现与数据处理
? （四）波形的识别与结果解释
（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记录装臵是一个电极帽, 上面有多个
记录或吸收头皮放电情况的电极, 这些电极
在帽子上的位臵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
位臵头皮上的放电情况, 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%。
Pg1 Pg2
Fp1
Fpz
Fp2
FzF3
F7
F4
F8
A1 A2
CzC3C5 C4 T4T3
C6
T5 T6
PzP3 P4
Oz
O1 O2
Cb1
Cb2
国际 10— 20脑电记录系统
（四）导联方法
矢状线
冠状线
? 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 。
叠加 12次,Cz点。
A:短声,B:闪光,C:短声 +
闪光。
前三种情况都不出现 CNV.
第四种情况下，令被试在
闪光出现时尽快按键，
按键即将闪光终止，只
有这时才出现 CNV.
? 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 。
Sutton等首先报告 P300 （ Science,1965 ）
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与任务难度
P300潜伏期随任
务难度的增加而
延长
实线：具体人名
虚线：人名性别
断线：出现的词中挑
出“刺”的反义词
? 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。
语义畸异程度越
大 N400越大：
THE PIZZA
WAS TOO HOT
TO …
? 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
E-Studio 由四个
部分组成,
1.Toolbox
2,Structure
View
3,Properties
Window
4,Workspace
ERP实验流程
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设臵时, 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时设臵的刺激前
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臵则非常费时费力 。
可以通过对一个被试数据的处理, 尝试各个参数的
最佳值, 然后将这些设臵保存成批处理文件, 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 。
-200 200 400 600 800 ms
-2.0
-4.0
2.0
4.0
6.0
潜伏期
基线 —— 峰
峰 —— 峰
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 。
① 设臵条件 1与条件
2，分别产生 A峰 B峰。
② 测量并比较峰 A
与峰 B的潜伏期、始潜
时、波幅等指标。
③ 比较条件 1与条件
2的波形在头皮的分布。
定性分析
相减技术
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。
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 。
? 根据图形的色彩或形式，可将地形图分为：彩
色地形图、灰度地形图、等高线地形图
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 。
~30 mm2 = 5.5×5.5 mm2
Size of Macroscopic Neural Activity
Equivalent Current Dipole (Primary current) (~50 nAm)
parameters:
position, x,y,z
direction, q,f
magnitude, m
+- -
cell body
sink
source
synapse
+
Equivalent current dipole model:
cortex
Microscopic current flow
(~5×10-5 nAm)
? 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
