采用事件相关脑电位（ERPs），我们研究抗精神病药物对中国台湾具有分裂型特质的健康个体中异常语义脑激活的影响。我们利用ERPs追踪脑活动的特异性变化，揭示与语义分类相关的认知过程。
本文内容
摘要
摘要
在认知神经科学领域，功能性磁共振成像（fMRI）是一种常用的可视化脑功能的方法。这在一定程度上得益于其出色的空间分辨率，使研究人员能够识别与特定认知过程相关的脑区。然而，在致力于定位脑功能的过程中，值得注意的是，许多认知、感觉和运动过程具有关键的时间特性，而fMRI较差的时间分辨率难以充分捕捉这些动态变化。因此，为了更好地理解认知过程，采用事件相关电位（ERP）记录作为获取脑活动信息的方法具有显著优势。其优势之一在于极佳的时间分辨率，使研究人员能够以毫秒级精度追踪脑活动的变化。此外，ERP直接反映兴奋性和抑制性突触后电位，而大多数脑内计算正是通过这些电位完成的，这与fMRI所测量的代谢活动间接指标形成对比。进一步地，ERP作为一种非侵入性方法，无需设置对照条件：单个实验条件下的原始ERP即可直接分析，而fMRI则必须将实验条件与对照条件相减，从而可能引发观测结果究竟归因于实验条件还是对照条件的不确定性。尽管ERP在空间分辨率和皮层下活动探测方面存在局限，但其在实用性、相对成本效益以及相关优势方面仍为认知神经科学研究中追踪神经活动快速时间动态变化提供了有力支持。为了促进ERP作为研究成像方法的更广泛应用，并确保数据采集的规范性和准确性，本文将以采用语义分类范式考察抗精神病药物和分裂型特质对N400影响的研究框架为例，系统阐述ERP数据采集的实验流程及关键要点。
引言
尽管神经影像学的进步无疑加深了我们对大脑功能的理解，但这些进展主要侧重于阐明大脑结构，具有较强的静态特征。这使得脑网络的动态时间特性仍相对模糊不清，因为虽然功能性磁共振成像（fMRI）和近红外光谱（NIRS）等神经影像学方法能够部分反映这些时间特征，但其时间分辨率与脑电图（EEG）相比仍显不足。因此，深入理解并更好地应用事件相关电位（ERP）记录技术显得尤为重要，该技术能够提供大量原本无法获知的有意义信息。ERP记录是一种无创性分析工具，可使认知神经科学家追踪由认知、感觉和运动过程引发的神经活动的快速时间变化。该技术通过在头皮上放置电极，记录大量神经元群体对特定事件或刺激所产生的电突触后反应2。事件相关电位是指与感觉、运动或认知事件在时间上锁定的脑电图变化，被认为反映了信息处理过程中产生的突触后电位的总和3。这些ERP波形以其潜伏期、振幅、极性和头皮分布为特征，提供了丰富的神经生理学数据，有助于进一步揭示参与认知过程的神经连接机制。
事件相关电位（ERP）记录与脑电图（EEG）的目标是获取有关参与高阶复杂认知操作的基础神经过程的信息4。ERP 由其在刺激呈现后出现的头皮位置和时间，以及其正负波动特征来定义。多种 ERP 已被关联到认知加工的不同方面。例如，我们一直在研究 N400 事件相关脑电位5，这是一种在有意义刺激（如词语）呈现后约 400 毫秒出现的负向波形6，其在头皮上的分布已知取决于这些刺激的语义类别。N400 是语义激活的指标，研究表明，相较于仅激活言语表征的抽象词（例如，idea），能激活更多表征的具象词（例如，banana）会引发更大的 N400 波幅7,8。研究还支持以下观点：即使通过分裂型人格量表测量出的轻度精神分裂症症状，也与 N400 的异常过度语义激活相关9。因此，我们正在探讨抗精神病药物是否能够使具有高水平分裂型特质的健康个体中异常的 N400 语义激活恢复正常，这类药物可减轻精神分裂症症状表现。在此背景下，采用语义分类范式结合 ERP 技术，有利于研究抗精神病药物对 N400 的影响。
由于ERP记录是一种无创且相对经济的神经功能评估方法，因此可广泛应用于多个领域，认知神经科学、神经病学、神经心理学、心理语言学和认知心理学领域已开展的大量ERP研究便是例证。其多功能性使研究者能够针对语言、认知以及多种精神障碍（如精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症和酒精依赖障碍）10等广泛领域的神经事件相对时间进程提出关键科学问题。与功能性磁共振成像（fMRI）等其他神经影像学方法相比，ERP具有显著优势。其中一些优势包括其优异的时间分辨率，能够将脑活动精确到毫秒级别。ERP记录还能直接反映兴奋性突触后电位（EPSPs）和抑制性突触后电位（IPSPs），而许多脑内计算正是通过这些电位实现的，这一点是fMRI所不具备的。ERP记录的另一优势在于，它能够区分抑制性活动（神经元超极化）与兴奋性活动（神经元去极化），而在fMRI中，信号增强无法明确区分这两种活动。此外，ERP方法无需设置对照条件：仅针对单一实验条件的原始ERP即可进行分析，而fMRI则必须将实验条件与对照条件相减，从而导致在将观察结果归因于实验条件或对照条件时存在不确定性。ERP记录的实用性、相对成本效益及其相关优势，为在认知神经科学中采用ERP技术追踪神经活动的快速时间动态变化提供了强有力的依据。下文将提供进行脑电图（EEG）实验和记录事件相关电位的基本操作步骤指南。
方案
本方案遵循道格拉斯研究所研究与伦理委员会制定的指南。
1. 患者准备
- 当参与者到达后，向其解释实验内容，并获取其在已获得机构审查委员会伦理批准的知情同意书上的签名。
- 用红色铅笔在鼻根部（眉间）做标记。使用卷尺从鼻根测量至颅底后下方的枕外隆凸（inion）。通过用手从颈部向上滑动，直至触及受试者头部后方的骨性突起，以此确定该位置。
- 取十分之一th 从鼻根点（nasion）到枕外隆凸点（inion）进行测量，并从鼻根点沿发际线附近向上做标记，注意确保这些测量点与鼻子保持对齐。
- 将头围测量带（四色丝带）环绕头部，位置与步骤1.3中标记的水平线一致。根据丝带无颜色端与有色端相交的位置确定头帽尺寸：若相交于蓝色区域，则使用蓝色头帽；若相交于蓝色与红色区域之间，则使用蓝红色头帽，依此类推。
2. 电极放置
- 将电极帽戴在受试者头部，使帽前部的两个电极与眼睛对齐。在前额电极（FP1 和 FP2）上安装一次性海绵垫，以防止导电凝胶扩散。
- 将两个前额电极对准发际线附近的标记处，然后将电极帽拉过头部，确保电极帽紧密贴合受试者头部。
- 将耳电极放置于受试者耳垂上作为参考电极。用酒精清洁耳垂，并使用棉签将脑电用皮肤研磨导电凝胶涂抹于耳垂，以增强导电性。
- 取一支注射器，吸入电解质凝胶，然后将凝胶挤入耳电极中。小心地将充满凝胶的耳电极放置于受试者耳垂上。
- 将电极帽和耳电极的导线连接至脑电放大器，将放大器增益设置为 20,000。使用电极帽上的绑带将线缆固定装置固定在帽上，确保其牢固地固定电极帽。
- 开始向位于电极帽前中部的接地电极施加电解质凝胶。电解质凝胶可增强头皮与电极之间的电导连接。
- 使用注射器将电解质凝胶注入电极。首先将注射器插入电极，前后轻轻晃动，直至其与头皮接触。然后一边缓慢挤压注射器，一边向上提起，形成垂直的凝胶柱。
- 对所有电极重复步骤 2.7。
- 使用钝针轻轻研磨电极下方的头皮。操作时应观察计算机显示器，屏幕上应显示电极的示意图。研磨目标为刮擦头皮，直至屏幕上对应电极变为黑色。建议先处理耳电极，再处理接地电极。
3. 脑电图（EEG）实验
- 向受试者宣读实验说明。在计算机上打开脑电图采集软件。
- 观察电极的静息活动状态。排查“不良”电极，例如出现直线信号或过度活跃的信号。如果存在此类情况，请重复步骤 2.7 和 2.9，以尽量降低阻抗。
strong>注意：使用 30 Hz 电流测得的阻抗应保持在 5 kΩ 以下。 - 当电极信号良好，且无直线信号或过度活跃信号时，开始记录。注意是否存在肌电图干扰或眼动伪迹，并确保受试者避免眨眼以及紧绷下颌和前额肌肉，因为这些动作会在数据中引入过多噪声。在静息状态下，可能会出现β节律和α节律。
- 在第二台计算机上启动实验。实验设计的时间控制非常重要。需仔细观察，确保实验软件（如 E-Prime）发送“标记”以指示刺激起始时间点。这一点至关重要，因为在事件相关电位（ERP）范式中，刺激起始通常被用作事件的时间参考点。
- 实验结束后，确认数据已保存——具体保存流程因所用软件而异。小心取下电极帽，并协助受试者清洗和吹干头发。
- 将电极帽和耳电极从放大器上取下，移除一次性海绵垫片，使用小棍或棉签末端在流动水下清洗电极帽和耳电极。使用温和的肥皂或洗发水，并用牙刷轻轻清除电极上的导电膏残留。彻底冲洗干净后，将设备置于空气中自然晾干。
4. 数据处理
- 为了从脑电图（EEG）中获取事件相关电位（ERP）成分，需确定将要分析的时段。例如，计算N400波幅时，应使用300-500毫秒时间窗内的平均电压进行计算。
- 在对EEG片段进行平均之前，应剔除存在明显眼动或放大器饱和的试验数据。根据实验范式的不同，可能还需要剔除对应错误反应的试验。
- 平均完成后，对ERP进行滤波并绘制数据（有关使用Matlab、EEGLab和ERPLab进行数据处理的具体操作说明，请参见动态图1）。
结果
本文提供了五幅图，以帮助研究人员获得最佳的事件相关电位（ERP）记录。图1展示了成功完成本实验方案后获得的ERP波形；由于记录准确，其结果属于“良好”。“图2”则展示了因实验方案执行不理想而导致“不良”结果的ERP波形，最显著的特征是信号噪声过大。图3显示了ERP记录过程中可能出现的常见问题，这些问题会妨碍数据的正常采集。高活动性在波形中表现为高频和大振幅；相比之下，“平直波形”（flatline）则提示缺乏脑活动或连接不当。图4和图5展示了我们通过语义分类范式测量抗精神病药物和分裂型特质对N400影响的主要研究结果的总平均图。
图1. 良好结果。 该图显示了一名受试者在成功实施该技术后所有试验的平均事件相关电位（ERP）波形，结果显示无平坦线段或过度噪声。需要注意的是，波形的具体形态会因所采用的实验范式而略有差异——依赖不同过程（认知、感觉和运动）的任务，会根据任务内容及其所需技能产生不同的波形。请点击此处查看该图的放大版本。
图 2. 差的结果。 本图显示了一名受试者在技术操作不当后所有试验中平均的事件相关电位（ERP）波形。此处所示波形质量较差，表现为存在噪声以及FP2通道呈直线。同时请注意，脑电图（EEG）中缺乏可识别的ERP成分。请点击此处查看此图的放大版本。
图 3. 常见问题。 本图展示了该技术中常见的问题，即眼动、肌肉活动或饱和度干扰。请注意，这些问题可能出现在任意通道中，因此务必检查所有通道。请点击此处查看该图的放大版本。
图 4. 分裂型人格特质的影响。 本图展示了安慰剂条件下事件相关电位（ERP）的总平均结果。红线代表在分裂型人格问卷中得分较高的参与者，黑线代表根据问卷评定为分裂型人格特质较低的参与者。
图5. 药物对高分裂型特质个体的影响。 本图展示了总平均事件相关电位（ERPs），其中红色代表用药（奥氮平），黑色代表安慰剂。请点击此处查看此图的放大版本。
动画图1。 该图可作为处理数据并获取事件相关电位（ERPs）的指南。
讨论
在研究抗精神病药物对N400影响的过程中，我们发现，在安慰剂条件下，高分裂型特质个体的前部N400波幅大于低分裂型特质个体。然而，在用药条件下，仅在高分裂型特质个体中观察到额中央区N400波幅减小。因此，药物可降低高分裂型特质个体中较大的额中央区N400波幅，这一结果与既往研究一致：接受抗精神病药物治疗的精神分裂症患者，其前部N400波幅小于接受安慰剂的患者11,12。在低分裂型特质个体中，药物未产生显著效应。这些发现得益于本实验方案的规范实施，凸显了获取清晰、精确数据的重要性。
为确保结果的准确性和有效性，需注意以下几个关键点。为了获得良好的信号，必须确保电极帽贴合紧密，并正确佩戴，使矢状面电极 precisely 位于正中位置，同时调整阻抗。若电极帽过大，将难以降低阻抗，从而降低记录质量13。此外，必须让受试者明确避免过度移动、频繁眨眼或面部及下颌肌肉的收缩，因为这些行为会在脑电图（EEG）轨迹中引入干扰，可能导致数据解读极为困难14。实验结束后，必须对设备进行彻底清洁，以防止电极被残留的导电凝胶堵塞，影响后续的信号采集。
如果信号出现问题，例如噪声或平坦线，应检查接地电极和参考电极是否均已正确连接。降低这些电极的阻抗可减少噪声，因此若存在连接问题，需重新涂抹导电膏，并重新刮擦电极下方的头皮。若出现肌电干扰，应让受试者放松后再继续实验。在实验设计中，事件相关电位（ERP）记录需考虑时间因素，例如刺激呈现的持续时间以及允许受试者眨眼的短暂时间间隔。
在开始脑电图（EEG）实验之前，了解其相关的局限性非常重要。需要考虑的因素包括相对较差的空间分辨率，以及利用EEG阐明皮层下活动的困难。眨眼和肌肉活动引入的噪声也是一个不利因素，且神经信号在穿过脑脊液、脑膜和颅骨时会发生模糊。这些局限性可通过独立使用其他神经影像学方法（如功能性磁共振成像fMRI、近红外光谱NIRS）或结合EEG与其他方法来弥补。然而，如前所述，这些方法也各自存在局限性。例如fMRI需要特定的对比条件，且缺乏基线和极性信息。与其他脑成像技术相比，事件相关电位（ERP）记录具有诸多优势，尤其是其卓越的时间分辨率，可达毫秒级别。此外，该方法无创，对受试者几乎无不适感，且不伴随任何显著风险或危险。ERP记录在经济上也较为可行，尤其与功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）等其他神经影像技术相比15。它能够揭示认知、感觉和运动过程中发生的神经事件，在未来还可能被用于探索前意识过程。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢脑与行为研究基金会提供的慷慨支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脑电图采集软件（Scan 4.5） | Neuroscan | http://www.neuroscan.com/scan.cfm | |
| 数字脑电放大器（NuAmp） | Neuro Scan Labs | http://www.neuroscan.com/documents/AF573-01%20CURRY%20NuAmpsExpressPRESSD4.pdf | |
| 2 台计算机 | |||
| Matlab | The MathWorks, Inc | http://www.mathworks.com/products/matlab/ | |
| EEGLab Matlab 工具箱 | http://sccn.ucsd.edu/eeglab/ | ||
| ERPLAB 工具箱 | http://erpinfo.org/erplab | ||
| 刺激呈现软件 | E-Prime | ||
| ECI 脑电帽 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/caps/ | |
| 专用头部测量尺（四色丝带） | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 一次性海绵电极盘 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 脑电用皮肤研磨凝胶（Nuprep） | Weaver and Company | http://www.weaverandcompany.com/nuprep.html | |
| 身体固定带 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 脑电帽固定带 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 导电胶 | Electro-cap International, Inc | ||
| 钝头针（BD Vacutainer PrecisionGlide 多次采样针） | Becton, Dickinson and Company | 367211；见 http://www.bd.com/resource.aspx?IDX=7559 | |
| 注射器 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 2 个耳电极 | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 酒精棉片 | |||
| 红色铅笔 | |||
| 棉签 | |||
| 供被试实验后洗头用的设施和用品——水槽、洗发水、梳子、毛巾、吹风机 |
参考文献
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- Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , 2nd edition, MIT Press. Cambridge, Mass. (2005).
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