Событийный потенциал - Event-related potential

Смотрите также: Вызванный потенциал

Форма волны, показывающая несколько компонентов ERP, включая N100 (помечены N1) и P300 (помечено P3). Обратите внимание, что ERP отображается с отрицательным напряжением вверх, что является обычной, но не универсальной практикой в ​​исследованиях ERP.

An потенциал, связанный с событием (ERP) является измеренным мозг ответ, который является прямым результатом конкретного сенсорный, познавательный, или мотор мероприятие.^[1] Более формально это какой-то стереотипный электрофизиологический ответ на раздражитель. Изучение мозга таким способом дает неинвазивный средства оценки работы мозга.

ERP измеряются с помощью электроэнцефалография (ЭЭГ). В магнитоэнцефалография (MEG) эквивалентом ERP является ERF или поле, связанное с событием.^[2] Вызванные потенциалы и индуцированные потенциалы являются подтипами ERP.

История

С открытием электроэнцефалограмма (ЭЭГ) в 1924 г., Ганс Бергер показали, что электрическую активность человеческого мозга можно измерить, поместив электроды на коже головы и усиливающий сигнал. Изменения напряжения могут быть нанесены на график за определенный период времени. Он заметил, что на напряжения могут влиять внешние события, стимулирующие чувства. ЭЭГ оказалась полезным источником для регистрации активности мозга в последующие десятилетия. Однако, как правило, было очень сложно оценить узкоспецифический нейронный процесс, который находится в центре внимания. когнитивная нейробиология поскольку использование чистых данных ЭЭГ затрудняло выделение отдельных нейрокогнитивный процессы. Потенциалы, связанные с событиями (ERP), предлагали более изощренный метод извлечения более конкретных сенсорных, когнитивных и моторных событий с помощью простых методов усреднения. В 1935–1936 годах Полин и Хэллоуэлл Дэвис записали первые известные ERP на бодрствующих людях, и их результаты были опубликованы несколько лет спустя, в 1939 году. Вторая Мировая Война В 1940-х годах проводилось не так много исследований, но исследования, посвященные сенсорным проблемам, возобновились в 1950-х годах. В 1964 году исследование Грей Уолтер и коллеги начали современную эру открытий компонентов ERP, когда они сообщили о первом когнитивном компоненте ERP, названном условное отрицательное изменение (CNV).^[3] Саттон, Брарен и Зубин (1965) сделали еще один шаг вперед, открыв компонент P3.^[4] В течение следующих пятнадцати лет исследования компонентов ERP становились все более популярными. 1980-е годы, с появлением недорогих компьютеров, открыли новую дверь для исследований когнитивной нейробиологии. В настоящее время ERP - один из наиболее широко используемых методов в когнитивная нейробиология исследования для изучения физиологический корреляты сенсорный, перцептивный и познавательный деятельность, связанная с обработкой информации.^[5]

Расчет

ERP могут быть надежно измеряется с использованием электроэнцефалография (ЭЭГ), процедура, которая измеряет электрические активность мозга с течением времени с помощью электроды размещен на скальп. ЭЭГ отражает одновременно тысячи текущие мозговые процессы. Это означает, что реакция мозга на единичный стимул или интересующее событие обычно не видна на записи ЭЭГ одного испытания. Чтобы увидеть реакцию мозга на стимул, экспериментатор должен провести множество испытаний и усреднить результаты вместе, в результате чего случайная активность мозга будет усреднена, а соответствующая форма волны останется, называемая ERP.^[6]

Случайный (задний план ) активность мозга вместе с другими биосигналами (например, EOG, ЭМГ, ЭКГ ) и электромагнитные помехи (например, линейный шум, люминесцентные лампы) составляют шумовой вклад в регистрируемую ERP. Этот шум скрывает интересующий сигнал, который представляет собой последовательность исследуемых базовых ERP. С инженерной точки зрения можно определить сигнал-шум (SNR) записанных ERP. Усреднение увеличивает SNR записанных ERP, делая их различимыми и позволяя их интерпретировать. Этому есть простое математическое объяснение при условии, что сделаны некоторые упрощающие предположения. Эти предположения таковы:

1. Интересующий сигнал состоит из последовательности ERP, привязанных к событиям, с неизменной задержкой и формой.
2. Шум можно аппроксимировать нулевым средним Гауссовский случайный процесс отклонения ${\displaystyle \sigma ^{2}}$ который не коррелирован между испытаниями и не привязан ко времени к событию (это предположение может быть легко нарушено, например, в случае, когда испытуемый делает небольшие движения языком, мысленно считая цели в эксперименте).

Определив ${\displaystyle k}$, пробный номер и ${\displaystyle t}$, время, прошедшее после ${\displaystyle k}$^th событие, каждое записанное испытание можно записать как ${\displaystyle x(t,k)=s(t)+n(t,k)}$ где ${\displaystyle s(t)}$ это сигнал и ${\displaystyle n(t,k)}$ - шум (обратите внимание, что в предположениях выше, сигнал не зависит от конкретного испытания, в то время как шум зависит).

Среднее значение ${\displaystyle N}$ испытания

${\displaystyle {\bar {x}}(t)={\frac {1}{N}}\sum _{k=1}^{N}x(t,k)=s(t)+{\frac {1}{N}}\sum _{k=1}^{N}n(t,k)}$ .

В ожидаемое значение из ${\displaystyle {\bar {x}}(t)}$ это (как и ожидалось) сам сигнал, ${\displaystyle \operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)}$.

это отклонение является

${\displaystyle \operatorname {Var} [{\bar {x}}(t)]=\operatorname {E} \left[\left({\bar {x}}(t)-\operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\operatorname {E} \left[\left(\sum _{k=1}^{N}n(t,k)\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\sum _{k=1}^{N}\operatorname {E} \left[n(t,k)^{2}\right]={\frac {\sigma ^{2}}{N}}}$.

По этой причине амплитуда шума среднего значения ${\displaystyle N}$ ожидается, что испытания отклонятся от среднего значения (которое ${\displaystyle s(t)}$) меньше или равно ${\displaystyle \sigma /{\sqrt {N}}}$ в 68% случаев. В частности, отклонение, при котором лежит 68% амплитуд шума, составляет ${\displaystyle 1/{\sqrt {N}}}$ раз больше, чем в одном испытании. Большее отклонение ${\displaystyle 2\sigma /{\sqrt {N}}}$ уже можно ожидать, что они охватят 95% всех амплитуд шума.

Широкоамплитудный шум (например, моргание глаз или движение артефакты ) часто на несколько порядков больше, чем лежащие в основе ERP. Поэтому испытания, содержащие такие артефакты, следует удалить перед усреднением. Отказ от артефактов может выполняться вручную путем визуального осмотра или с использованием автоматизированной процедуры, основанной на заранее определенных фиксированных пороговых значениях (ограничение максимальной амплитуды или наклона ЭЭГ) или на изменяющихся во времени пороговых значениях, полученных из статистики набора испытаний.^{[нужна цитата ]}

Номенклатура компонентов ERP

Сигналы ERP состоят из серии положительных и отрицательных отклонений напряжения, которые связаны с набором лежащих в основе компоненты.^[7] Хотя некоторые компоненты ERP обозначаются акронимами (например, условное отрицательное изменение - CNV, связанный с ошибкой негатив - ERN), большинство компонентов обозначаются буквой (N / P), обозначающей полярность (отрицательная / положительная), за которой следует число, указывающее либо задержку в миллисекундах, либо значение компонента. порядковый положение в форме волны. Например, отрицательный пик, который является первым существенным пиком в форме волны и часто возникает примерно через 100 миллисекунд после предъявления стимула, часто называется N100 (указывает, что его задержка составляет 100 мс после стимула и что она отрицательная) или N1 (указывая, что это первый пик и отрицательный); за ним часто следует положительный пик, обычно называемый P200 или P2. Заявленные задержки для компонентов ERP часто весьма различны, особенно для более поздних компонентов, которые связаны с когнитивной обработкой стимула. Например, P300 Компонент может демонстрировать пик в диапазоне от 250 мс до 700 мс.

Преимущества и недостатки

Относительно поведенческих мер

По сравнению с поведенческими процедурами, ERP обеспечивают непрерывную меру обработки между стимулом и ответом, что позволяет определить, на какой стадии (стадиях) влияет конкретная экспериментальная манипуляция. Еще одно преимущество перед поведенческими мерами состоит в том, что они могут обеспечить меру обработки стимулов, даже когда нет изменений в поведении. Однако из-за значительно меньшего размера ERP обычно требуется большое количество испытаний, чтобы правильно ее измерить.^[8]

По сравнению с другими нейрофизиологическими показателями

Инвазивность

В отличие от микроэлектродов, которые требуют введения электрода в мозг, и ПЭТ сканы, которые подвергают людей воздействию радиации, ERP используют EEG, неинвазивную процедуру.

Пространственное и временное разрешение

ERP обеспечивают отличную временное разрешение - поскольку скорость записи ERP ограничена только частотой дискретизации, которую записывающее оборудование может реально поддерживать, тогда как гемодинамический меры (такие как фМРТ, ПЭТ, и fNIRS ) по сути ограничены медленной скоростью СМЕЛЫЙ ответ. В Пространственное разрешение ERP, однако, намного хуже, чем у гемодинамических методов - фактически, расположение источников ERP является обратная задача это не может быть точно решено, только оценено. Таким образом, ERP хорошо подходят для исследования вопросов о скорости нейронной активности и менее подходят для исследования вопросов о местонахождении такой активности.^[1]

Стоимость

Исследование ERP намного дешевле, чем другие методы визуализации, такие как фМРТ, ПЭТ, и МЭГ. Это связано с тем, что покупка и обслуживание системы ЭЭГ дешевле, чем других систем.

Клиническая ERP

Врачи и неврологи иногда будет использовать перепрошивку визуальный стимул в виде шахматной доски для проверки наличия повреждений или травм в зрительной системе. У здорового человека этот стимул вызовет сильную реакцию по сравнению с первичным. зрительная кора расположен в затылочная доля, в задней части мозга.

Нарушения компонентов ERP в клинических исследованиях были выявлены при таких неврологических состояниях, как:

• AD / HD^[9][10]
• Слабоумие^[11]
• болезнь Паркинсона^[12]
• Рассеянный склероз^[13]
• Травмы головы^[14]
• Инсульт^[15]
• Обсессивно-компульсивное расстройство^[16]

Исследование ERP

ERP широко используются в нейробиология, когнитивная психология, наука о мышлении, и психофизиологический исследование. Экспериментальные психологи и нейробиологи обнаружили множество различных стимулов, которые вызывают у участников надежные ERP. Считается, что время этих ответов является мерой времени взаимодействия мозга или времени обработки информации. Например, в парадигме шахматной доски, описанной выше, первая реакция зрительной коры здоровых участников составляет около 50–70 мс. Казалось бы, это означает, что именно столько времени требуется для преобразованный визуальный стимул для достижения кора после свет первый входит в глаз. В качестве альтернативы P300 ответ происходит примерно через 300 мс в странная парадигма, например, независимо от типа предъявляемого стимула: визуальный, тактильный, слуховой, обонятельный, вкусовый и т. д. Из-за этой общей инвариантности в отношении типа стимула компонент P300 считается отражающим более высокий когнитивный ответ на неожиданные и / или когнитивные выдающийся стимулы. Реакция P300 также изучалась в контексте обнаружения информации и памяти.^[17]

Из-за последовательности реакции P300 на новые стимулы, интерфейс мозг-компьютер можно построить, опираясь на него. Располагая множество сигналов в сетке, случайным образом мигая строки сетки, как в предыдущей парадигме, и наблюдая за реакциями P300 испытуемого, смотрящего на сетку, испытуемый может сообщить, на какой стимул он смотрит, и, таким образом, медленно «печатать» "слова.^[18]

Другие ERP, часто используемые в исследованиях, особенно нейролингвистические исследования, включить ELAN, то N400, а P600 / SPS.

Смотрите также

• Bereitschaftspotential
• C1 и P1
• Условное отрицательное изменение
• Разница из-за памяти
• Ранний левый передний негатив
• Эрих Шрёгер
• Отрицательность, связанная с ошибкой
• Вызванный потенциал
• Индуцированная активность
• Боковой потенциал готовности
• Негативность несоответствия
• Негатив: N100 • Визуальный N1 • N170 • N200 • N2pc • N400
• Позитивность: P200 • P300 • P3a • P3b • Поздний положительный компонент • P600
• Соматосенсорный вызванный потенциал

использованная литература

1. Удача, Стивен Дж. (2005). Введение в технику событийного потенциала. MIT Press. ISBN  978-0-262-12277-1.^{[страница нужна ]}
2. Браун, Колин М; Питер Хагоорт (1999). «Когнитивная нейробиология языка». В Колин М. Браун и Питер Хагоорт (ред.). Нейропознание языка. Нью-Йорк: Oxford University Press. п. 6.
3. Уолтер, В. Грей; Cooper, R .; Олдридж, В. Дж .; McCallum, W. C .; Винтер А. Л. (июль 1964 г.). «Условное отрицательное изменение: электрический знак сенсомоторной ассоциации и ожидания в человеческом мозге». Природа. 203 (4943): 380–384. Bibcode:1964Натура.203..380Вт. Дои:10.1038 / 203380a0. PMID  14197376. S2CID  26808780.
4. Sutton, S .; Braren, M .; Зубин, Дж .; Джон Э. Р. (26 ноября 1965 г.). "Вызванные потенциальные корреляты неопределенности стимулов". Наука. 150 (3700): 1187–1188. Bibcode:1965Sci ... 150.1187S. Дои:10.1126 / science.150.3700.1187. PMID  5852977. S2CID  39822117.
5. Хэнди, Т. С. (2005). Возможности, связанные с событиями: Справочник по методам. Кембридж, Массачусетс: Брэдфорд /MIT Press.^{[страница нужна ]}
6. Coles, M.G.H .; Рагг, М. Д. (1995). «Возможности мозга, связанные с событием: введение». In Rugg, M.D .; Коулз, М. Г. Х. (ред.). Электрофизиология разума: связанные с событием потенциалы мозга и познание. Оксфордская серия психологии, № 25. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 1–26.
7. Удача, С.Дж .; Каппенман, E.S., ред. (2012). Оксфордский справочник потенциальных компонентов, связанных с событиями. Издательство Оксфордского университета. п. 664. ISBN  9780195374148.
8. Удача, Стивен (2005). «Сравнение с поведенческими мерами». Введение в технику событийного потенциала. MIT Press. С. 21–23.
9. Джонстон, Стюарт Дж .; Барри, Роберт Дж .; Кларк, Адам Р. (апрель 2013 г.). «Десять лет спустя: последующий обзор исследований ERP при синдроме дефицита внимания / гиперактивности». Клиническая нейрофизиология. 124 (4): 644–657. Дои:10.1016 / j.clinph.2012.09.006. PMID  23063669. S2CID  13867965.
10. Барри, Роберт Дж; Джонстон, Стюарт Дж; Кларк, Адам Р. (февраль 2003 г.). «Обзор электрофизиологии при синдроме дефицита внимания / гиперактивности: II. Возможности, связанные с событием». Клиническая нейрофизиология. 114 (2): 184–198. Дои:10.1016 / S1388-2457 (02) 00363-2. PMID  12559225. S2CID  9239459.
11. Бутрос, Нашат; Торелло, Майкл В .; Бернс, Элизабет М .; Ву, Шу-Ши; Насралла, Генри А. (июнь 1995 г.). «Вызванные потенциалы у субъектов из группы риска по болезни Альцгеймера». Психиатрические исследования. 57 (1): 57–63. Дои:10.1016 / 0165-1781 (95) 02597-П. PMID  7568559. S2CID  17010156.
12. С, Прабхакар; Сиал, П; Шривастава, Т. (1 июля 2000 г.). «P300 при недавно диагностированной болезни Паркинсона без деменции: эффект дофаминергических препаратов». Неврология Индия. 48 (3): 239–42. PMID  11025627.
13. Boose, Martha A .; Крэнфорд, Джерри Л. (1996). «Возможности, связанные со слуховыми событиями при рассеянном склерозе». Отология и невротология. 17 (1): 165–70. PMID  8694124.
14. Дункан, Конни С.; Kosmidis, Mary H .; Мирский, Аллан Ф. (28 июня 2008 г.). «Событийная оценка потенциала обработки информации после закрытой черепно-мозговой травмы». Психофизиология. 40 (1): 45–59. Дои:10.1111/1469-8986.00006. PMID  12751803.
15. Д'Арси, Райан С.Н.; Маршан, Янник; Эскес, Гейл А; Харрисон, Эдмунд Р; Филлипс, Стивен Дж; Майор, Альма; Коннолли, Джон Ф (апрель 2003 г.). «Электрофизиологическая оценка языковой функции после инсульта». Клиническая нейрофизиология. 114 (4): 662–672. Дои:10.1016 / S1388-2457 (03) 00007-5. PMID  12686275. S2CID  27955719.
16. Ханна, Грегори Л .; Карраско, Мелиса; Харбин, Шеннон М .; Nienhuis, Jenna K .; LaRosa, Christina E .; Чен, Пою; Фитцджеральд, Кейт Д .; Геринг, Уильям Дж. (Сентябрь 2012 г.). «Связанный с ошибками негатив и история тиков в педиатрическом обсессивно-компульсивном расстройстве». Журнал Американской академии детской и подростковой психиатрии. 51 (9): 902–910. Дои:10.1016 / j.jaac.2012.06.019. ЧВК  3427894. PMID  22917203.
17. Маккормик, Брайан (2006). «Ваши мысли могут обмануть вас: основные последствия технологии снятия отпечатков пальцев и как ее можно использовать для защиты нашего неба». Обзор права и психологии. 30: 171–84.
18. Farwell, L.A .; Дончин, Э. (декабрь 1988 г.). «Говорите не на шутку: к ментальному протезу, использующему связанные с событием потенциалы мозга». Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология. 70 (6): 510–23. Дои:10.1016/0013-4694(88)90149-6. PMID  2461285.

дальнейшее чтение

• Стивен Дж. Лак: Введение в технику связанных с событиями потенциальных возможностей, второе издание. Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 2014. ISBN  9780262525855.
• Тодд С. Хэнди: Возможности, связанные с событиями: Справочник по методам. Кембридж, Массачусетс: MIT Press (B&T), 2004. ISBN  0-262-08333-7
• Удача, С.Дж., Каппенман, Е.С., изд. (2012). Оксфордский справочник потенциальных компонентов, связанных с событиями. Издательство Оксфордского университета. С. 664. ISBN  9780195374148.
• Фабиани, Моника; Граттон, Габриэле; Федермейер, Кара Д. (2007). «Возможности мозга, связанные с событиями: методы, теория и приложения». В Cacioppo, John T .; Tassinary, Louis G .; Бернсон, Гэри Г. (ред.). Справочник по психофизиологии (3-е изд.). Кембридж: Кембриджский университет. С. 85–119. ISBN  978-0-521-84471-0.
• Полич, Джон; Кори-Блум, Джоди (1 декабря 2005 г.). «Болезнь Альцгеймера и P300: обзор и оценка задачи и модальности». Текущее исследование болезни Альцгеймера. 2 (5): 515–25. Дои:10.2174/156720505774932214. PMID  16375655.
• Зани А. и Провербио А. (2003) Когнитивная электрофизиология разума и мозга. Academic Press / Elsvier.
• Кропотов Ю. (2009) «Количественная ЭЭГ, событийно-связанные потенциалы и нейротерапия» Academic Press / Elsvier.

внешние ссылки

• [1] - Летняя школа ERP 2017 прошла в Школе психологии Бангорского университета с 25 по 30 июня 2017 года.
• EEGLAB Toolbox - Свободно доступный набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для обработки и анализа данных ЭЭГ.
• ERPLAB Toolbox - Свободно доступный набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для обработки и анализа данных ERP
• Учебный курс по ERP - Серия обучающих семинаров для исследователей ERP под руководством Стива Лака и Эмили Каппенман
• Виртуальный учебный курс ERP - Блог с информацией, объявлениями и советами по методологии ERP