高密度事件相关电位数据采集在认知神经科学中的应用

摘要

事件相关电位（ERP）记录在认知神经科学中应用不足，原因是数据采集技术不易获得，且该方法的空间分辨率通常较差。为了促进ERP在认知神经科学中的更广泛应用，本文详细介绍了高密度ERP数据采集中的关键技术。

摘要

功能磁共振成像（fMRI）目前是认知神经科学领域评估脑功能的标准方法，部分原因是fMRI数据采集和分析技术已广泛可用。由于fMRI具有优良的空间分辨率但时间分辨率较差，该方法仅能用于确定与特定认知过程相关的脑活动的空间位置（几乎无法揭示脑活动的时间进程）。相比之下，事件相关电位（ERP）记录是一种使用频率远低于fMRI的方法，具有优良的时间分辨率，因而能够追踪神经活动的快速时间变化。然而，由于数据采集技术不易获取，且低密度ERP记录的空间分辨率较差，ERP在认知神经科学中的应用受到限制。为了促进ERP在认知神经科学中的更广泛应用，本文详细介绍了高密度ERP数据采集中的关键技术。关键在于，高密度ERP有望实现优良的时间分辨率和良好的空间分辨率（若与fMRI结合，则可达到优良的空间分辨率），这对于捕捉人类脑功能的时空动态至关重要。 关键词：功能磁共振成像，fMRI，事件相关电位，ERP，认知神经科学，高密度ERP，脑功能，时空分辨率，数据采集

方案

一、引言

在认知神经科学领域，功能磁共振成像（fMRI）已成为标准的分析方法。fMRI 的广泛应用部分归因于其数据采集和分析技术的易得性，以及结果易于解释，能够突出显示与特定认知过程相关的脑区。然而，fMRI 的时间分辨率较差，因此无法追踪大脑功能活动的快速时间动态。如果认知神经科学家继续主要依赖 fMRI，那么所得出的大脑功能图景将存在严重缺陷。尽管事件相关电位（ERPs）方法具有优异的时间分辨率，但其使用频率却远低于 fMRI。本文旨在详细介绍高密度 ERP 数据采集中的关键技术，希望这些信息能够促进 ERP 在认知神经科学中的更广泛应用。

II. 通用设备设置

ERP 数据通常在环境电磁场强度较低的场所进行测量，以尽量减少对神经信号的干扰。为最大限度降低此类干扰，ERP 常在屏蔽金属室（即法拉第笼）内测量，但也可选择未屏蔽但环境场强可接受（1 mg 或更低，可使用电磁场测量仪测定）的场所。每个电极连接至放大器，放大器再连接至数据采集计算机。刺激呈现则使用另一台独立计算机。为减少对神经信号的干扰，屏蔽室或记录区域内部仅应放置必要的带电设备，例如刺激显示器和反应键盘（例如，可使用灯具辅助电极安放，但在记录期间应关闭电源）。可使用视频切换器在单个显示器上交替显示数据采集计算机或刺激呈现计算机的画面。若使用屏蔽室，所有电缆可通过墙体上的小管道（直径几英寸）或门缝穿入。受试者应坐在带有扶手且靠背高度能支撑肩部的舒适座椅上，以尽量减少颈部肌电伪迹，同时便于后续对后下部电极进行阻抗调节。我们使用由 Global Partners in Shielding, Inc.（新泽西州帕塞克）制造的屏蔽室，以及 128 导 Quik-Cap/SynAmps² NeuroScan 系统（Compumedics USA，北卡罗来纳州夏洛特）。

III. 帽子放置与电极数字化

电极通常嵌入在氨纶材质的帽中，这显著缩短了应用时间。然而，帽中电极的相对位置是固定的，因此无法使用标准的电极配置，例如基于个体受试者精确位置的10-20电极系统¹，或更高密度的10-5电极系统²等变体。为了以标准格式呈现最终结果，我们为每位受试者将电极Oz置于接近10-5电极系统规定的位置（然后根据其在10-5电极系统中的近似位置对所有电极进行标记）。在佩戴电极帽时，应确保其左右对称，中线电极位于头部中线上，并且最靠后下方的电极位于颅骨与颈部交界处之上，以避免颈部肌肉伪迹。虽然使用下颌带足以固定电极帽的位置，但使用魔术贴将侧边带子连接到腰部自定义腰带，可改善电极与头部侧面的接触。此外，可在眼睛附近额外放置电极，以便后续去除眼动或眨眼伪迹。

尽管可以合理假设电极放置在不同受试者之间相对一致，但头部尺寸的差异和电极帽的佩戴位置仍会导致电极位置的变异。为解决此类变异，可对每位受试者测量电极位置。我们使用 Polhemus FASTRAK 三维数字化仪（Colchester, VT），该设备包括一个发射器、三个通过魔术贴固定在电极帽上的接收器（用于校正受试者的运动），以及一支用于记录每个电极位置的探针（该硬件与我们用于数据采集的 Neuroscan SCAN/3DSpaceDx 软件兼容）。无论使用何种数字化仪，都应按照指定指南进行设置，例如避免靠近大型金属物体，并将发射器和接收器的电缆分开。数字化仪应进行校准并测试其准确性，必要时应移动至不同位置，直至空间定位准确无误。

IV. 降低电极阻抗

在电极位置完成数字化后，受试者应舒适地坐在记录椅上。部分受试者发现，将一条折叠的毛巾轻轻塞在肩部与椅背之间会更加舒适。随后，应将多电极帽连接至放大器。每个电极的阻抗必须降低至预设阈值以下。这一步骤通过向每个电极孔内注入导电凝胶实现，以使电流能够在头皮与上方电极之间传导。为避免受试者之间的交叉污染，每位受试者必须使用一支新的无菌注射器和钝头针头。值得注意的是，尽管5 kΩ是标准的阻抗阈值，但在环境电磁场强度非常低的情况下，也可采用略高的阈值。我们使用NeuroScan SCAN软件测量电极阻抗，该软件可实时以颜色显示所有电极的阻抗水平。有多种技术可加快阻抗降低过程，这是事件相关电位（ERP）数据采集中最耗时的环节。需谨记，目标是将凝胶仅施用于头皮与正上方电极之间。建议由优势手控制注射器并进行凝胶施加，非优势手执行其他操作。装有导电凝胶的注射器可轻靠头部而不引起受试者不适，但绝不可压迫头部。首先，针对某一特定电极，通常可先将注射器轻靠头部画几圈，以拨开中间的头发。随后，用非优势手轻轻下压电极，同时注入少量凝胶至头皮，然后在持续注入凝胶的同时将注射器抽出，从而在头皮与电极之间形成凝胶桥。从电极孔中溢出的凝胶应使用纸巾擦拭并丢弃。在某些情况下，导电凝胶可能连接相邻电极，导致阻抗相互关联——这会降低空间分辨率，但由于电极数量较多，通常影响较小。应首先向接地电极和参考电极施加凝胶；若初次测量时所有电极阻抗仍较高，则应重新向这两个电极补加凝胶。由于凝胶的导电性通常随时间推移而增强，一种策略是：先向某一头皮象限（如右侧后部头皮）内的电极注入凝胶，直至所有阻抗开始下降；再向下一象限的电极注入凝胶，直至阻抗开始下降；随后循环各象限，重新向阻抗最高的电极补注凝胶。必须强调，凝胶施加过程绝不能引起受试者不适，并应明确告知受试者，一旦感到不适应立即说明，以便及时停止相应操作。

V. 数据记录

在开始记录之前，应让受试者采取舒适的姿势并放松身体，以尽量减少颈部肌肉伪迹，并避免头部移动导致后部电极与椅背接触。需要向受试者强调，在记录过程中应保持相对静止，因为椅子的明显移动（通常含有金属框架）可能产生电磁干扰。随后应向受试者提供反应键盘，并移除或关闭受试者附近的非必要设备，例如照明灯。为了便于后续的事件相关分析，每个刺激事件的起始时间必须由刺激计算机发出信号/触发，并与电生理数据一同接收和存储。我们通过E-Prime程序（Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA）经并行端口在每次刺激开始时发送这些触发脉冲，这些程序包含可免费获取的自定义InLine端口初始化和触发脚本³，触发信号由SCAN软件接收并存储。应参考端口配置的引脚定义，以确保使用有效的触发值。值得注意的是，大多数放大器的高通滤波器设置均可接受，因为其目的仅仅是去除与瞬态神经反应无关的极低频成分（如直流成分）。相比之下，合适的低通滤波器设置则取决于记录环境。在环境电磁干扰极低的情况下，可使用截止频率很高的低通滤波器（例如200 Hz），以最大程度减少对包含较高频率成分的神经反应的失真。在干扰水平较高的环境中，可采用较低的截止频率（例如80 Hz）并结合60 Hz陷波滤波器，从而使电生理反应主要反映神经信号。需要注意的是，滤波也可在数据采集后通过软件完成，但在放大器阶段进行滤波通常能产生更少的信号失真。

VI. 清洁帽盖

数据记录完成后，必须立即对多电极帽进行彻底清洁和消毒。首先将电极帽浸泡在温水中5至10分钟，然后用流动水冲洗每个电极，以彻底清除所有导电凝胶。可使用木棒棉签的钝端清理电极上的孔洞。随后将电极帽浸泡在温热的肥皂水浴中（由4夸脱水和1至2盎司Dial洗涤剂组成）30分钟，确保完全去除残留凝胶，之后再用清水彻底冲洗。为避免受试者之间的交叉污染，电极帽必须在适当的水/消毒剂混合液（例如4份水加1份Envirocide）中浸泡15至30分钟，然后再用清水充分冲洗。将电极帽悬挂晾干时，应保持对称且无张力状态，因为电极帽可能在一定程度上保留其干燥时的形态，若形态不规则，可能会影响后续降低阻抗的操作便利性。

七、分析概述

数据预处理⁴包含多个步骤，包括剔除接触不良或接触不稳定的电极、去除眨眼伪迹、基线校正，以及额外的高通滤波或低通滤波。预处理之后进行事件相关平均，通过进行ERP源定位⁵可提高空间分辨率。我们使用BESA分析软件（Gräfelfing，德国）进行预处理、事件相关平均和源定位（BESA定期提供为期两天的分析培训课程），并对导出的事件相关平均文件使用基于MATLAB（The MathWorks，Natick，MA）编写的自定义脚本进行进一步分析。