深入了解事件相关电位及其成分（五）

5 波峰于潜在的ERP成分截至到现在我们已经讲了潜在成分如何在头皮电极上进行混合的——这正是为何很难从头皮上观测的波形中复原出潜在成分的原因——现在该考虑为何在大多数ERP研究中这都是一个大问题。本节中叠加问题如何会导致对于ERP数据的错误解释并提出一系列用来避免这些错误解释的“规则”。因此本节目的是为了帮助我们跳开在头皮上记录到的ERP波形本身进而导致这些头皮表面波形形成的潜在成分。A真实电极观测到的完整 ERP 波形肉眼能看到 3 个波峰波峰 1、波峰 2、波峰 3B、C两套完全不同的潜在内源成分组合叠加后都能合成 A 这条一模一样的观测波形B3 个成分 C1、C2、C3 叠加C另一套 3 个成分 C1、C2、C3 叠加D/E/F分别操纵单一成分幅度后的总波形变化G/H/I每个条件减去基线得到的差值波形我们日常统计的 ERP 效应波形规则1峰与成分并不是一回事。电压达到局部最大值的点并没有什么特别。肉眼看 A 有 3 个独立波峰我们很容易下意识认为「一个波峰 一个脑内源成分」但图 B、C 证明两套完全不一样的潜在成分叠加最终输出完全相同的观测波形 AB 里 C3 是宽大正向成分C2 是深负成分C 里 C3 更陡峭、C2 负波更深成分形态、潜伏期、幅度全部不一样两套成分完全不同叠加后却长出一模一样的 3 个波峰。 结论波形上的波峰只是多个内源成分加权抵消后的表观结果波峰本身没有专属对应的独立脑成分波峰和成分不能一一等同。规则2通过观察单个ERP波形无法估计出一个潜在成分的时间进程或风潜伏期——波形的局部形状与潜在成分之间也许不存在明显的关系。只看单条观测波形 A我们完全猜不到内部潜藏的成分长什么样只看 A 的波峰 1你会以为它对应一个窄小早期正向成分但对比 B、CB 的 C1 窄而浅C 的 C1 更宽、潜伏期更长肉眼看到的波峰 2大负波在 B 里是中等幅度 C2在 C 里是幅度更深、持续更久的 C2单看最终合成波形完全无法还原内部每一个潜在成分的时长、起止潜伏期、完整时间曲线。 最终波形的局部凹凸是多个成分互相抵消、叠加出来的和内部真实成分形态没有直观对应关系。规则3某个特定波峰时间范围内出现的效应也许并不能反映与该波峰相关的潜在成分变化。看图 D操纵C2 成分幅度减小条件 X改变的是中间负向潜在成分但最终总波形变化全部落在波峰 3晚期正向波的时间窗口里。真实发生变化的内源成分是 C2对应波峰 2 区间但肉眼观测到的波形效应却出现在远处波峰 3 的时间段如果你只盯着波峰 3 窗口做统计会误以为是生成波峰 3 的 C3 成分发生变化实际变动的是完全无关的 C2。 因此某一个波峰区间出现的波形差异不一定是产生这个波峰的内源成分变化导致的。规则4峰振幅的差异并非一定与成分大小的差异相符峰潜伏期的差异并非一定与成分时刻点的变化相符。① 峰振幅≠内源成分真实大小图 E条件 Y 下C1 内源幅度增大早期小成分 总波形变化体现在波峰 1但是波峰 1 振幅提升幅度不等于 C1 真实放大的幅度 —— 因为 C2、C3 同时存在叠加抵消会压缩表观峰高图 F条件 Z 下C3 内源大幅增大波峰 3 的峰值抬高但抬高的数值不等于 C3 真实增加量其他成分会抵消一部分振幅。 内源成分真实变化幅度会被其他成分掩盖表观波峰高低无法直接代表成分本身大小。② 峰潜伏期≠内源成分真实时间点以 D 为例C2中间负成分幅度减小不仅压低了波峰 2还把波峰 3 的顶点向左偏移潜伏期提前 但真正发生改变的内源 C2本身的起止时间、峰值潜伏期完全没变。 波形波峰出现时间偏移是多成分叠加带来的表观假象不代表内源成分自身的时间窗口发生移动。A3 次单独试次的 P3 波形同一个内源成分但每次出现的峰值潜伏期错开有的早、有的晚存在试次间时间抖动B三条波形直接算术平均后的总 ERP 波形。规则5永远不要假设一个平均ERP波形能够直接代表那些平均之前的单个试次波形。特别地平均波形的起始时刻和结束时刻分别代表了平均之前的单个试次或者单个受试者波形中最早的起始时刻和最晚的结束时刻.平均波形形态和单试次完全不一样每一条单独试次的 P3 都是窄、峰值高的凸起但平均后的波形 B 明显更宽、峰值幅度更低。 肉眼看平均波会误以为大脑产生的内源成分本身就是宽而平缓的波形但真实每一次脑活动都是尖锐窄波平均把波形 “抹平失真” 了。 → 平均波形不能直接还原单次试次真实神经活动。起止时间不反映平均起止而是取极值三条单试次波形最早一条启动早、最晚一条结束晚 平均波形 B 的起点 所有试次里最早的起始点 平均波形 B 的终点 所有试次里最晚的结束点 它的时长被人为拉长并不是 “单次试次的平均时长”。 举例单次试次真实持续 300ms但平均波形会拉长到 450ms会误判内源成分持续时间更长。核心结论 潜伏期试次间抖动会让平均 ERP 发生形态失真、时程拉长、峰高降低单凭平均波形无法推断单次试次真实的成分形态、时长、峰值大小。规则6一个实验中观测到的某个ERP效应可能反映的是并不是之前研究中具有极性和时刻的潜在大脑活动。潜伏期偏移会改变我们对成分时间窗口的判断前人文献里记录的标准 P300峰值固定在 300ms但本实验内部试次潜伏期波动极大平均后的波形峰值会偏移到 350ms 左右。仅看平均波形你会认为这个脑内源激活时间整体延后真实情况只是每次试次出现时间不一致内源本身的时间特征没有改变。观测到的平均波形时间特征和真实潜在脑活动的固有时间特征不匹配。波形宽度、峰值幅度失真容易误判成分强度前人研究的单试次 P3 峰值很高但本实验平均波峰值变低、波形变宽。若只对比平均波形会错误推断本实验的 P3 内源神经活动强度更弱、持续时间更长。但真实单次试次的内源幅度和前人完全一致只是试次间潜伏期离散导致平均后视觉上变弱、变宽。关于ERP波形和成分结构的一些基本注解母波形: 单一实验条件下所有试次叠加平均后得到的原始标准 ERP 波形是不做减法、直接由某一类刺激诱发的基础波形。差异波用两种不同实验条件的母波形点对点相减同一时间点头皮电位做差值得到的新波形。 差异波有时可以揭示潜在的ERP成分的时间进程和头皮分布特征。一个结构合理的差异波总会包含比构造它的母波更少的成分。更少的成分意味着由成分混叠引起混淆的机会就越小。逻辑特定电极位置上的ERP波形等于一系列潜在波形的加权总和。如果两个条件之间有部分源波形存在差异那么二者相减后的差异波消除其中相同的源波形从而分离出存在差异的成分。7 什么是ERP成分讲到这里就可以看看到底什么是ERP成分。在ERP研究的早期阶段一个成分的定义主要根据其极性、潜伏期以及总体的头皮分布。例如P3a和P3b成分的区分就是依据P3a成分相比P3b成分具有较早的峰潜伏期以及更加靠近额叶的头皮分布。 但是极性、潜伏期和头皮分布都是一些表面特征并不能表示一个成分的本质。例如P3b成分的潜伏期在不同难度的靶与非靶刺激辨别任务下可能存在数百毫秒的差异而听觉N1成分则依赖于诱发刺激的音调而且与音调拓扑图相对应。甚至极性也会出现变化产生于初级视觉皮层中的C1波由于皮层折叠的原因当刺激在上方视野中时其振幅为负当刺激在下方视野其振幅为正。当多个成分在一个电极上发生混合时利用潜伏期、头皮分布和极性来识别成分就变得更加困难了。例如Oddball范式中的N2成分会叠加在P2和P3成分之上因此在N2成分时间范围内的总体电位通常是正值。内在因素定义从概念上讲一个ERP成分是当大脑执行某个特定的计算操作时产生于某个特定的神经解剖学模块并且可以在头皮上记录到的神经信号。根据定义一个成分可能在不同条件下出现在不同时刻只要它来自相同模块并且代表了相同的计算操作即可例如在某个给定的脑区中一个物体的编码进入工作记忆的过程也许会发生在刺激起始的不同时刻原因是需要对刺激进行识别并判断是否值得将其存储于工作记忆中而这些过程需要花费的事件可能不同/一个成分的头皮分布和极性可能发生变化原因是同一个认知功能在不同条件下可能发生生于一个皮层模块的不同部分例如当一个视觉刺激出现在不同位置时它会刺激视觉皮层中预期呈拓扑映射的不同区域。从逻辑上看有可能两个不同皮层区域中完成的是完全相同的认知过程但是这种情况可能很少出现它会导致一种完全不同的电位模式因此通常不会被当作单个ERP成分。/ERP成分不是单个成分——早期的“N2成分Donchin提出实用性定义一个成分是一些电位变化的集合它们于一个实验变量或者多个实验变量的组合之间具有某种功能性关联“。他们将这个概念进一步精简为”一个ERP成分是一个可控的、可观测的变异源“。 此外他还提出电极位置是一个关键的变异来源与其对应的观点是差异波的头皮分布在效应早期和晚期之间的变化意味着该效应的早期和晚期阶段存在着不同的活跃成分。因此根据这一定义任何在不同实验条件之间稳定存在的波形差异都是ERP成分。 该实用性定义存在两个缺点。首先它忽略了核心思想即ERP成分产生于特定的神经解剖学模块神经元集合。也就是说在一个特定的实验中即使一个实验效应的头皮分布不随时间或条件发生变化头皮分布可能也会清楚地表明有不止一个偶极子是活跃的。 其次该实用性定义忽视了实际存在的自发性或相关性变化。例如如果你观察EEG自发变化过程中头皮电位的瞬时分布则有可能利用高级统计方法例如主成分分析、独立成分分析分理处电极之间系统的共变模式它反映了潜在ERP成分振幅的自发性变化。因此实用性定义从实用性方面来说一个ERP成分可以被定义为一些电位的变化它们符合单一的神经产生源位置并且在不同的实验条件、时间段、个体等等之间出现系统性变化。也就是说一个ERP成分是一个ERP数据集内具有系统性和稳定性特征的变异源。这并不意味着我们只有在判定一个成分的产生源之后才能将其分离出来。如果一个假定成分的头皮分布具有与单个偶极子不相符的复杂结构那么不应认为只有一个成分存在。但是如果它的结构简单且与单个偶极子或者一对在左右半球间呈镜像对称的偶极子相符那么我们可以暂时认为它是单个成分。8 如何识别特定的ERP成分1.头皮分布尤其是在利用差异波消除其余重叠成分的情况下。如果在一个新实验中某个效应的头皮分布与已有实验中的头皮分布相同那么这便是它们属于同一个成分的一点证据如果头皮分布不同那么这便是反对原假设的证据。但是实际情况下它可以为反对原假设提供强有力的证据却无法为支持原假设提供强有力的证据。 原因无法对头皮分布进行量化 要想推断两个头皮分布相同就需要接受零假设而这些类型的结论通常都比较弱。溯源分析技术虽然能够提供相关证据用于检验不同实验中的ERP效应是否具有相同源但是这在本质上与比较头皮分布是否相同一致因此也存在相同局限性。2.它与其他因素之间的交互作用然后判断这种交互作用模式是否与已有实验中分离出的成分相同融合的证据。融合证据 结合多种完全独立、原理不同的观测手段拿到多套互不干扰的数据互相印证同一个内源假设形成一套闭环佐证链条。如果你对实验范式进行了轻微改动并且发现了与之前相同效应指的是潜伏期和头皮分布那么你非常有可能分离出相同的潜在ERP成分。