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视觉刺激听觉刺激 发生系统 STIM 屏幕 耳机 64导电

作者:ag视讯直营 发布于:2021-01-13 03:05 点击量:

  视觉刺激听觉刺激 刺激发生系统 STIM 屏幕 耳机 64导电极帽反应键 EEG ERP数据放大器 128导SynAmp 数据采集 与处理系统 Scan 采样 显示 总平均 相减 绘图 脑地形图 波形测量 叠加 排除伪迹 统计 SPSS 反应时 错误率 ERP数据提取的主要过程Fig ERPdata

  视觉刺激听觉刺激 刺激发生系统 STIM 屏幕 耳机 64导电极帽反应键 EEG ERP数据放大器 128导SynAmp 数据采集 与处理系统 Scan 采样 显示 总平均 相减 绘图 脑地形图 波形测量 叠加 排除伪迹 统计 SPSS 反应时 错误率 ERP数据提取的主要过程Fig ERPdata digest 电极帽及附件一、电极分布 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制定的10 20系统确定的。10 20系统的原则为记录电极点之间的相对距离以10 与20 来表示 并采用矢状线和冠状线条标志线。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。将头皮上的一个电极的电位设置为零 这个电极称为参考电极。另外一个或多个电极与电极的电位差即是该电极的电位值 这些电极叫做记录电极。眼电记录采用双极导联法 水平眼电 HEOG 的电极置于两侧眼外眦 从左眼眶上下电极记录垂直眼电 VEOG 二、实验设置本实验采用64导电极帽记录脑电 将双侧乳突电极的电位设置为零 作为参考电极。将左半球电极与左侧乳突电极做电位差 右半球电极与右侧乳突电极做电位差 分别作为各电极的电位值 接地电极为GND电极 在Fpz和Fz连线的中点 并满足皮肤阻抗 5kΩ。 河北工业大学硕士学位论文 72 放大器一、主要参数说明 放大倍数Gain ERP研究中A经常取20000 以适应数据进入下级计算机模 数转换的输入范围士5V的要求。 频带宽度Bandpass 使其仅够放大拟研究的ERP信号 落在频带外的噪声与信号则不被放大 达到排除目的。频带宽度一般为 4060或100Hz ERP使用的放大器的频带宽度是可以调节的 因此需要根据所研究的脑电成分的频率范围来设定放大器的频带宽度 使其仅够放大拟研究的脑电信号 以使落在频带外的各种非研究信号不被放大 达到排除噪声与干扰信号的目的。设定放大器的频带宽度 是在数据进入计算机之前的模拟信号放大阶段对模拟信号频率的选择或过滤 因此相对于进入计算机后的数字滤波而言又称模拟滤波。低端滤波 Maximum 3dB 3500Hz单电极。高端滤波High Pass Filter Minimum DC Rate采样频率与时间分辨率成正比 最大采样率20 000 Hz 可集成32 64 128 256导系统。 Full Scale Input Range DC Mode 200 mV Sensitivity DC Mode 24 nV bit Full Scale Input Range AC Mode 995uV Sensitivity AC Mode nVbit 二、实验参数的选取 本实验 我们使用64导放大器系统。模 转换率1000Hz采样间隔为2ms 0540Hz。放大倍数选为500倍。 STIM刺激系统一、主要参数说明 刺激系统可提供声音、图象、影象、或其他综合刺激 可编程刺激模式 并可将刺激和反应与脑电讯号同步传输到采集和分析系统。可与SCAN ESI 等采集分析软件联合应用 亦可单独应用。 STIM2在GENTASK中的设置有几个重要参数分别为 During在预期刺激的偏移和反馈之间的时间差。 Window每次刺激时允许被试的反应时间 ITIInter Trial Interval 从当前刺激的开始到下一个刺激的开始的时间。 刺激间隔有两种方法 如图2 SOAstimulus onset asynchrony 从起点到起点 onset onset ISIinter stimulus interval 从止点到起点 offset onset 面孔识别的事件相关电位时空特性 SOA ISI 2刺激间隔有两种方法Fig Twomethods stimulateinterval 二、实验参数的选取 本文的三个实验中During、Window、ITI分别根据实验的不同设置了不通的参数 在下面几章中分别介绍。刺激间隔我们采用ISI的描述方式。 SCAN4软件包SCAN4软件包分别由ACQUIRE EDIT SOURCE组成。进行EEG和ERP采集和分析 以及进行在线采集 离线后处理和三维影象功能。SCAN4软件囊括了所有的EEG ERP记录和测量分析方法 并提高了三维空间相关性分析 更精确地解析源活动 并提供高分辨率的EEG EEG地形图和 2D 3D EP ERP分析功能。SCAN4具有良好的在线分析功能 通过先进而可靠的ICA PCA方法去掉无效成分 实时观察偶极子的状态 在实验过程当中就可基本确定实验数据的有效性。 实验模式ERP实验常用的实验模式有四种 Oddball模式、Go Nogo模式、视觉空间注意的经典模式、记忆的经典模式。本文三个实验均采用了记忆的经典模式。 记忆的经典模式 可分为直接或外显再认实验和间接或内隐再认实验。直接或外显再认实验是经典的再认实验范式。首先呈现一组项目 被试无需反应 即被动学习 其中一半在随后的一组中重复呈现 被试对重复出现的项目按键反应 如此学习、测试反复进行。重复出现的图片 被称为“旧”图 而没有出现过的 称为“新图”。新旧图诱发的ERP波形进行比较 叫做“新旧效应”。在ERP记忆研究中经常可见到。这种实验具有明确的记忆任务 所以也称为外显记忆。还有种连续再认实验 continuous recognition paradigm 呈现的项目中 一半是上一组曾经出过的 另一半则是下一组将要出现的 被试分别用左右手按键。连续再认实验范式与传统到记忆再认范式不同 学习与测验阶段混合以便再次呈现项目时为正负之间的转换 并且记忆负荷在量上是连续增加的。也有利用句子阅读进行再认ERP研究。间接或内隐再认实验常采用混合刺激 例如混合呈现词与非词 河北工业大学硕士学位论文9一种范式是对某种特定含义的词反应 例如当一个动物名词出现时就按键。可见实验中被试均不对重复出现的字词反应 因而这种记忆是间接的或内隐的 implicit memory 本课题前两个实验将内隐与外显实验混合将面孔表情与汉字混合作为刺激材料 被试的任务是做新旧判断。从而分别提取出内隐与外显波形。 合并任务数据merge task data 。以便针对被试完成任务的正确与否处理数据。须保证实验过程被完整保存 record 否则EEG数据和行为数据不能匹配 不能按照行为操作结果平均。宁可多存一些数据。 眼电伪迹校正ocular artifact reduction ElectrooculogramEOG 是最为常见的伪迹 对EEG的影响颇为显著 愈往头皮前部 EOG的影响愈显著。如果不排除眼电的话 大部分电极都将受到眼电污染。解决这个问题的最简单的办法是去掉包含有显著眼动的伪迹。不过 这种方法常常导致有用数据的丢失。一个可行的办法是对EEG文件进行眼动校正。眼动校正有很多计算和分析的方法。一般来说 这些方法都是从EEG中减去EOG。 去除眼电比较好的方法是首先寻找眼动电位的最大值 然后构建一个平均伪迹反应 最后Sweep对 Sweep、点对点地从EEG中减去EOG。 对脑电分段epoch 按照预设的“分析时间” 以刺激物发生为起点 对连续记录的EEG进行分段。设定分析时间 一般经典的分析多在1000 ms之内。生成EEG文件 建议采用与CNT文件同名的文件名。根据三个实验模式和研究目的不相同 分别设定不同的分段时间段 在下面各自的实验中分别介绍。 滤波filter 排除50Hz干扰 以及其他伪迹。 高通滤波 high pass filtering 增加频带宽度低端频率响应 可以刺ERP在较长潜伏期、较低频率的部分。如果仅对早期高频成分 例如听觉脑干诱发电位感兴趣 即可采用此法 高通为 50 150 Hz 。但如果研究对象是长潜伏期电位 例如 ERP的高通仅为 1Hz显然不适宜采用此法。 低通滤波 low pass filter 采用不同间隔随机化 可以部分消除邻近的 ERP重叠成分。 基线校正baseline correct 基线校正的目的是在当前波形文件中校正DC偏差 并使不同条件的ERP波形在相同的基线水平上进行比较。三个实验的基线ms。 排除伪迹artifact riection 根据某一范围的波幅数值超出这一范围的成分则被删除。本实验自动矫正眨眼、眼动、肌电等伪迹 波幅大于 75μV者视为伪迹剔除。 平均叠加average 。脑电变化十分弱 掩埋在自发脑电位波幅范围 100 其频率范围在40Hz左右中难以观察 为使ERP信号从噪声中分离出来 可利用诱发电位固定的锁时 time locked 关系 经过计算机的叠加处理 在反复呈现相同刺激的过程中 与刺激有锁时关系的、面孔识别的事件相关电位时空特性 10 时间和方向上一致的电位活动逐渐增大 而与刺激无锁时关系的随机的背景电活动则相互抵消 逐渐减小。这样就可以提取出ERP成分。首要的问题即ERP是否存在 当用ERP估计觉察刺激的阈值或辨别刺激的差别时尤其重要。问题的答案可以通过看ERP平均后是否与没有ERP的EEG平均后有显著的不同。其次即是在不同的条件下记录到的ERPs是否具有显著的不同。一般来说 如果希望证明ERPs之间的显著寻别 应该将每一个平均ERP波形的噪声降低到期望的差别水平之下。 总平均总平均 grand average 将同一条件下所有被试的ERP波形进行二次平均。本文中的ERP结果都是总平均图。 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。实际上 差异波可能代表着作为减数和被减数的ERP波形的特定的重叠效应。当运用相减技术时 应谨记有许多因素会通过特异地影响两种条件而影响差异波。进行相减时一定要准确描述相减是如何进行的 然后注明所得差异波的极性。因为相减有许多形式 所以一定要清楚所做差异波其目的所在。 时间窗口的划分ERP的相关成分提取有赖于时间窗口的准确划分 时间窗口的划分方式有两种 固定法 连续测量法 和具体法 间断测量法 固定法首先确定一时间窗口间隔例如50ms 然后分别测量0 50ms 50 100ms 100 150ms各段平均波幅。固定间隔比较客观 标准统一 便于测量以及不同实验室之间的比较 但在个差异大时 数据可靠性较差。 具体法根据总平均图确定某一成分的时间窗口 例如Trrio等根据其平均图确定早期偏差相关负波的时间窗口为0 180ms 晚期偏差负波为200 300ms。NaatAnen等人在双耳分听实验中以100 225 100 200ms分别作为左右耳的M1测量窗口 225 300 200 250ms分别为 NZb的窗口。具体法根据总平均图而定 针对性强 但主观性较大 不便于不同实验室之间的比较。 目前应用较多的间隔有20ms 50ms 100ms 150 ms。上述间隔在不同的时间范围可以变化 有人在300ms以前采用20ms或50ms的短间隔 在300ms以后采用100ms的较长间隔。例如在刺激后50 300ms以50ms的间隔 在300ms 1000ms再以 100ms为间隔测量。 本文的三个实验均采用具体法 时间窗口根据实验的不同有所区别 具体数据在具体实验中将给予介绍。 河北工业大学硕士学位论文 112 脑电特征基本要素ERP的特征参数依赖于脑电波的特征参数 从一系列波形中判断有关成分 是ERP研究的一个技术难关。跟据峰潜伏期、波形的头皮分布进行分析是目前通用的方法。 周期和频率 从头颅记录的脑电信号近似于正弦波形。脑电的周期指的是一个波从离开基线 到又返回基线所需要的时间 或者说 就是波峰到波峰或波谷到波谷的时间跨度 单位为 ms 。频率是指单位时间 1s 内通过的波峰或波谷数 也即单位时间内的周期数。 波幅 一般情况下 波幅指的是一个波的波峰到波谷的距离。由于脑电或多或少都会出现基线的动荡 因此在测量脑电的波幅时 将相邻的两个波谷进行直线联结 则这个波谷之间的波峰与波谷联线中点的距离即为该波的波幅值。正常人脑电图波幅的范围一般是10 100微伏 约为毫伏计的心电图的1 1000。一般情况下 EEG的波幅代表脑电位的强度 波幅大小与参与同步放电的神经元数目多少以及神经元的排列方向等密切相关。如果参与同步放电的神经元数目很多 神经元排列方向一致 且与记录电极的距离较近 则波幅增高 反之 则降低。一般认为 波幅反映大脑兴奋性高低。 位相 一个随时间序列运动展开的波 在基线上或下所处的瞬间位置即为该波的位相 它代表着波的极性及其时间与波幅的相对关系。以脑电基线为标准 朝上的波称为负相波 。同时记录的两个导联脑电的位相取决于脑内放电部位的位置、数目、大小以及电极导联方法、诱导部位。将两个运动中的波相互比较若它们在某个或每个瞬间出现的时间、周期和极性 波峰指向 都完全一致称为同位相 若先后出现称为有位相差 以毫秒表示。两个波错位180度时称为位相倒置。 潜伏期 潜伏期是指从刺激开始到脑诱发电位波形上的某特定点之间的时间间隔。这种时间间隔被称之绝对潜伏期 Absolute latency 一般以ms表示。ERP的潜伏期在测量时多采用波峰的顶点作为测量点。这称为峰潜期。两个波峰间的时间间隔称为峰间潜伏期 Interpeak latency 或波间潜伏期 Interwave latency 。在本文中的分析中 用的是绝对潜伏期概念。一般认为潜伏期是神经活动与加工过程的速度和评价时间。 总之 频率、波幅、位相是脑电特征的三个基本要素 其中 脑波的频率和波幅 在某种程度上代表了生理、心理、病理等状态下的神经冲动发放的性质和强度 而位相则提供了冲动产生的可能部位及其可能的焦点灶区。 脑地形图脑电地形图是指将放大的脑电信号转换成一种既能定量、又能定性的脑波图形 可使使大脑在某一时间的功能变化与形态定位有机地结合。脑地形图需要至少12导记录电极 理论上导数越多越好 目前已达到256导。其分类有以下不同的几种 根据脑电信号EEG——频率地形图 针对不同的频段 包括α波、β波δ波θ和近年受到关注的40Hz脑电 ERP——波幅地形图。 根据图形的色彩或形式彩色地形图、灰地形图、等高线地形图。这三种地形图所表达的内面孔识别的事件相关电位时空特性 12 容和信息量基本一致 其差别只在于表现形式的不同。 根据维度二维地形图 统计分析用SPSS13 0软件分别对各个因素水平的行为学指标 正确率和平均反应时 及上述早成分的峰波幅及峰潜伏期以及晚成分平均波幅、潜伏期进行重复测量的多因素方差分析 因素为刺激类型和电极点。有主效应因素的多重比较用“最小显著性差” leastsignificant difference LSD 法。行为数据及脑电数据结果均表示为“平均值 标准误”的形式。 河北工业大学硕士学位论文 13第三章 面孔内隐记忆和外显记忆的研究 研究背景我们常会遇到这样的情况 对一些“似曾相识”或有“熟悉”感的面孔怎么也回忆不起是在哪里或什么场合见过 这些不能回忆出的面孔可能部分是对原先比较熟悉面孔的遗忘所致 而另一部分则可能是由于曾经对这些面孔的无意识的阈下加工所形成的“似曾相识”感 10 。仅靠外显的研究手段似乎不足以说明面孔认知过程中的加工机制 在面孔加工识别中的一些现象并不能完全可以用外显的方法进行解释分析。例如 面孔失认症病人尽管不能外显地识别熟悉面孔 但是当他们看到熟悉面孔时却可出现生理特征的变化 11 12 。为了全方位了解面孔加工识别过程 人们开始主意到一种新的研究手段—内隐加工的研究方法。内隐加工的研究方法可弥补仅由面孔外显识别研究的不足 结合外显 explicit implicit研究方式有助于更全面地揭示面孔加工识别的规律和机制。 外显记忆 explicit memory 是指有意识地努力去学习并提取信息 因此 外显记忆也称之为有意识记忆 内隐记忆 implicit memory 是指对特定的过去经验进行有意识或外显的回忆测验中表现出来的对先前获得信息的无意识提取。也就是说 在有意或无意间获得的信息、技能或习惯 虽不能有意识地回忆和再认 但会影响类似作业的成效和行为的有效性 Graf Schacter 1985 13 内隐记忆的相关研究逐渐成为研究热点不断突破以目的性、逻辑性为特征的外显认知研究中心的局面 日益深入地揭示出内隐认知过程的特点和心理机制 为深刻认识人类的认知能力提供了新的视角 并使之成为当前认知科学与心理学研究的前沿和热点 14 。在进行内隐记忆测试时 并不要求被试者有意识地努力去提取信息 而只是要求他专注于眼前的任务 因而内隐记忆也称之为无意识记忆。深入研究人类认知的内隐侧面 不仅有可能为揭示人类认知的本质与规律提供新的证据 而且对于科学认识个体的学习与教育具有重要意义。 面孔的内隐加工研究包括两方面的内容 其一是通过面孔失认症病人研究面孔的内隐加工特征 这些病人虽然对以前熟悉的面孔 如知名人士及家属的面孔 不能外显地识别 但是对这些面孔存在内隐加工识别 表现为皮肤电反应及ERPs变化 对陌生及熟悉面孔注视方式的差异 学习任务操作法显示与其他非言语的复杂视觉刺激相比 在学习与不正确的姓名相对应的面孔时显得更困难 知名人士的面孔与不正确姓名之间配对时尤其如此 说明病人的记忆系统中对于那些他们不能再认出的知名面孔仍保留着某些语义信息。其二是研究在无意识或不注意的情况下对面孔的自动加工特征。 当然 内隐认知的研究也存在需要特别注意的一些问题 如内隐记忆测验的敏感性、意识污染、分离现象理论解释的合理性等 15 。其中最重要的是怎样尽可能排除外显加工的“污染” 意识污染 得到“纯”的内隐成分。例如 研究内隐加工最常用的重复启动效应研究 如补笔实验 对于外控组被试者更多地意识到测验与学习之间的关系。因而更倾向于采用学习词汇以补全词干 也就是说这一结果是有意识“污染”的结果 并不是纯粹的内隐加工 16 。因此 本研究采用快速闪现刺激材料 并用分面孔识别的事件相关电位时空特性 14 心的方法转移被试者的注意力 以期得到对刺激材料的“纯”内隐加工成分 从而更可靠地揭示人们对面孔的内隐加工特点。 我们在学习阶段设计了低负荷条件加工和高负荷条件加工两组试验进行研究 来比较高低负荷这两种加工是否对面孔识别有影响。在再认阶段 我们采用类似Rugs 17 实验中的新 旧再认测验 分析再认出旧面孔、未再认出旧面孔和新面孔引起的ERP。把再认出旧面孔与新面孔的ERP差异作为外显记忆的神经关联 未再认出旧面孔与新面孔的ERP差异作为内隐记忆的神经关联。采用这一范式可以在再认测试中有效地去除不同测验任务的影响。新旧再认测验分析出不同类型的旧项目与新项目之间的ERP差异 以对旧项目的有意识提取成功完成了当前作业来表示外显记忆。而对于没有意识再认出的旧项目 如果它产生的神经活动也表现出与真正新项目引起的神经活动不同 则表明这些项目也对当前作业产生了影响。但这种影响不被被试察觉 因此我们把它们之间的ERP差异作为内隐记忆的一个神经指标。 被试者情况27名被试均为大学学生 年龄从19岁到26岁。所有的被试均为右利手 视力或矫正后视力正常 身体健康。其中3名被试者因为脑电波型漂移未作分析 其余共24名被试者的数据进行分析。 刺激材料220张面孔图片 图片均来自国际标准图库 男女各半。黑白彩色各半。面孔表情呈中性 使用photoshop软件在每张学习面孔上方或下方加上6个英文字母。80张字母图片 大小与面孔图片相同 图片底色为白色 字母为黑色。每个学习组包括两个小组 低负荷学习—测试组和高负荷学习—测试组。每个负荷组分别进行4组“学习—测验”。在低负荷组中的学习阶段只出现带字母的图片8张 在高负荷组的学习阶段中先出现一张字母图片 然后出现一张带字母的面孔图片 每组8张。男、女、黑、白面孔图片打乱顺序出现 需要按键和不需要按键的图片不连续出现3次以上以消除不同任务之间的干扰。每个低负荷和高负荷再认组都出现24张面孔图片 其中8张为学习阶段出现过的图片。 实验设计一、低负荷条件下面孔内隐识别试验设计 试验包含学习和测验两个阶段。每个试验开始时先给出短纯音提示试验开始 以吸引被试者的注意力。在学习阶段 相继随机呈现8张带字母的面孔图片 如图3 1所示。图片持续时间 DUR 为900ms 被试最长反应时间 WIN 为1000ms 图片间隔 ISI 为1200ms。被试者的任务是注意字符串中是否有d字母 包含字母d则用右手拇指按4键 无d的不按键。短暂休息后进入测试阶段 测试阶段呈现24张图片 如图3 2所示 DUR为1 1s ISI为2 0s被试者的任务是对测试阶段的面孔作新旧判定 旧面孔用右手拇指按4键。要求按键尽可能快和准确。面孔图片呈现在屏幕中央 距离被试80cm。每个实验分为4个学习—测验组。每组结束后休息两分钟。 河北工业大学硕士学位论文 1低负荷条件下学习阶段材料Fig studyphase lowload condition 2低负荷条件下测试阶段材料Fig testphase lowload condition 二、高负荷条件下面孔内隐识别试验设计 试验包含学习和测验两个阶段。每个试验开始时先给出短纯音提示试验开始 以吸引被试的注意力。在学习阶段 相继呈现写有英文字母的图片和面孔图片 如图3 3所示。图片持续时间 DUR 为1000ms 被试最长反应时间 WIN 为1200ms 间隔 ISI 为1500ms。被试者的任务是注意图片上的字母 在下一张面孔图片中寻找字符串中是否有此字母 有则用右手拇指按4键。短暂休息后进入测试阶段 测试阶段呈现一组不带字母的图片 如图3 4所示 DUR为1 1s ISI为2 0s。被试者的任务是对测试阶段的面孔作新旧判定旧面孔用右手拇指按4键。要求按键尽可能快和准确。被试坐在隔音电磁屏蔽室内的沙发里。要求注意计算机屏幕中央。显示器背景为黑色。面孔图片呈现在屏幕中央 距离被试80cm。每个实验分为4个学习—测验组。每组结束后休息两分钟。 3高负荷条件下学习阶段材料Fig studyphase highload condition 15

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