西南大学考研实验心理学课件讲义30章节.ppt

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,2.评价,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%Pg1,Pg2,Fp1,Fpz,Fp2,Fz,F3,F7,F4,F8,A1,A2,Cz,C3,C5,C4,T4,T3,C6,T5,T6,Pz,P3,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、T4T3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。