事件相关电位与失匹配任务

鉴于环境中存在大量感官信息，大脑必须能够优先处理某些刺激，以便减少对当前可能不重要信息的投入，而专注于重要的内容。

每天，人们都会接触到多种视觉和听觉刺激，例如办公室中人们打字的声音或计算机屏幕上的图像。

个体对这些刺激的关注程度在一定程度上取决于其在特定时刻的目标。例如，他们可能会有意识地将注意力集中在显示器上，以审阅一份演示文稿。当这种情况发生时，大脑会忽略频繁但不重要的干扰，例如同事的键盘敲击声，而将注意力集中在屏幕上的幻灯片内容上。

这是一种称为自上而下注意的过程示例，大脑通过该过程过滤掉与目标无关的信息。

相比之下，自下而上的注意力处理的是独特且出乎意料的刺激，这些刺激具有吸引人注意力的能力，即使它们与当前目标无关。

这些罕见的声音或景象被称为“偏差刺激”（oddball stimuli），由于其新颖性，大脑会优先对其进行处理，因为它们可能具有重要意义。厨房里的一声响动可能意味着有人受伤了，或者可能有零食。

针对此类重要的感觉事件——厨房中的撞击声——大脑同一区域的多个神经元可被激活，从而促进电信号的传导。

这种电反应可以通过脑电图技术（简称 EEG）使用电极在头皮上进行测量，所得到的测量结果称为事件相关电位（ERP）。

在本视频中，我们将研究在奇球范式（oddball paradigm）下的事件相关电位（ERPs），该范式向受试者呈现独特和常见的视觉刺激。我们将演示如何设置脑电图（EEG）实验、分析事件相关电位数据，并探讨研究人员如何应用该技术研究注意力的其他方面。

在本实验中，通过脑电图（EEG）测量参与者观看两类基于形状的刺激（基线刺激和偏差刺激）时的脑活动，以深入了解大脑如何区分无关与重要的感觉信息。

为了进行脑电图（EEG）检测，研究人员将已插入帽中的电极放置在参与者头皮的特定解剖位置，以记录大脑的电活动。

在眼睛周围放置额外的电极以测量肌肉活动——这可能在脑电图（EEG）数据中产生运动伪迹——同时在耳后乳突位置放置电极作为参考电极，用于采集非神经性信息。

随后向参与者介绍他们将看到的两种刺激类型。其中，基线视觉刺激由一个红色圆圈组成，而偏差刺激则由一个绿色圆圈构成。

要求参与者注意寻找绿色形状，并在屏幕上出现绿色形状时按下按钮。

在任务过程中，每个圆形会在计算机显示器上呈现1秒。圆形消失后，屏幕保持空白1秒，随后呈现下一张图像。

关键在于，参与者会在一系列红色圆形图像之间偶尔且远不频繁地看到绿色圆形。在160个刺激图像中，仅有64个是绿色的。

其思路是，这些“位置异常”的目标图像将同时捕获自下而上的注意力（因为它们出现频率较低）和自上而下的注意力（因为任务的目标是提示这些形状何时出现）。

因此，大脑会对这些与目标相关且可能重要的刺激产生强烈的电信号作为响应。

在全部160次试验中持续记录脑电图（EEG）数据。随后重复该序列，并再次呈现第二组160张图像，以确保采集到足够的信息，从而将真正的由奇球刺激诱发的脑电活动与噪声区分开来。

随后，对 EEG 数据进行处理，以生成每个电极放置解剖位点的 ERP 波形。

根据以往的研究，最关键的信号预期出现在Pz电极附近，该电极位于头皮后部中央，顶叶交界区上方。

具体而言，这些顶叶事件相关电位（ERPs）中的一个成分被称为P300，因其在感觉刺激呈现后约300毫秒出现一个正向波峰而得名，预计该成分在对绿色稀有刺激圆圈的反应中会增强。

实验开始时，先向参与者打招呼，并确保其签署所有适当的知情同意书。同时确认其未使用任何可能干扰脑电图（EEG）记录的护发产品，如摩丝等。

在继续操作之前，首先搅拌导电电极凝胶以释放其中的任何气泡。然后用该凝胶填充一支10 ml注射器，以便在后续实验步骤中将此物质施加到电极装置上。

注射器准备好后，彻底刷洗受试者的头发和头皮，并用浸有酒精的棉纱布清洁其头部顶部。

随后，以类似方式对受试者每侧耳后、左眼上下方以及双眼最外侧水平位置的皮肤进行消毒。

接下来，将双面 adhesive 盘的一侧贴在电极上。在另一侧，将凝胶涂抹于暴露的电极表面，然后将其固定在左眼上方已清洁的区域。在面部其余已消毒的位置重复此操作。

为了确定应使用的脑电图（EEG）帽的尺寸，需测量受试者头部前方（两眉正中间）至枕外隆凸（位于头后部隆起下方的颅骨突起）之间的距离。在眼眶中点上方，于额部标记出所测距离的10%处。

根据眼外眦到耳前点的距离测量，选择适合标准头围范围的帽套，并将其放置，使FPz电极（位于最前方中央的电极）对准前额上的标记点。然后，将每个面部电极连接到帽套上对应的导线上。

取出装有凝胶的注射器后，告知受试者您将把钝头插入每个电极中。现在逐个抬起电极，将下方的毛发拨开，注意不要损伤皮肤。

然后，继续插入凝胶，并对剩余的帽状电极重复此过程，以确保从头皮采集的电信号能够被有效传导。

随后，将受试者带入一个具有声学和电学屏蔽的安静房间，并将整个帽状电极连接至记录系统。

使用配套的计算机程序，检查电极与头皮连接处的阻抗。如果任一电极的阻抗超过 10 KΩ（这可能导致脑电图信号中出现噪声），请确认该电极已涂抹导电凝胶，并确保其下方的所有头发均已移开。

请注意，所有阻抗值现在都应低于 10 KΩ。

在进行行为任务之前，让参与者坐在距离显示器约75 cm的位置，并给予他们一个反应盒手持。强调他们仅在屏幕上看到绿色圆圈时才按下计时按钮。

在受试者理解任务后，启动脑电图（EEG）系统。让其完成穿插在96次非目标控制刺激之间的64次目标刺激试验。在完成160次试验后，启动重复序列。

所有数据采集完成后，将结果导入分析程序以开始离线处理。首先，通过将信号参考至平均乳突值来分离出神经信号。

继续将连续的脑电图（EEG）记录分割为若干时段，每个时段从每个刺激（在此例中为绿色或红色圆圈）呈现前 200 毫秒开始，至刺激呈现后 1000 毫秒结束。

使用刺激开始前 200 ms 的时间段对这些时间窗进行基线校正。

然后，为了校正运动伪影，需剔除在任一电极（不仅仅是从目标解剖部位采集数据的电极）记录到信号变化超过±150 µV 的时间段。

随后，对每个电极，将所有基线图像试验中采集的脑电图数据进行平均，以生成事件相关电位波形。同样，对偏差刺激试验的数据进行平均。

为了分析数据，显示来自 Pz 记录位点的绿色目标形状和红色对照形状的事件相关电位（ERP）平均波形。对于顶叶 P300 成分，需评估其波幅——即该成分相对于基线值 0 µV 的高度——以及潜伏期——即受试者看到圆形后该成分出现所需的时间（以毫秒计）。

然后，针对这些峰幅值和潜伏期，使用 F 检验来确定基线刺激与偏差刺激之间是否存在差异。

注意，对于绿色的偏差形状，脑电波在刺激开始后约 350 毫秒处出现峰值，而当受试者观看对照红色目标圆圈时，则未观察到 P300 峰值。

总体而言，这些数据表明，当呈现非典型刺激时，顶叶的活动会增加，反映了识别与任务相关且显著刺激的神经过程。

现在您已经了解了研究人员如何在感觉信息处理中使用视觉oddball范式，接下来让我们看看科学家们如何应用这一技术来分析其他领域的ERP。

尽管我们主要关注健康大脑产生的事件相关电位（ERP），但一些研究人员正在利用反差刺激范式来研究脑震荡——即头部创伤所导致的损伤——如何影响认知过程。

例如，有证据表明，遭受脑震荡并出现头晕或意识混乱等症状的学生在观看罕见的偏差刺激图像时，其P300波峰值显著低于未受伤的对照组参与者。

这表明脑震荡可能会对大脑如何响应和处理潜在的重要感觉信息产生负面影响。

其他研究人员采用了一种改良的oddball范式——使用意外的声音而非图像——以更深入地理解自上而下与自下而上注意之间的差异。

通过研究由非典型音调诱发的事件相关电位（ERP），科学家发现，P300 波峰不仅会被罕见声音增强，而且该成分还可分为两个子成分：早期部分称为 P3a，晚期部分称为 P3b。

有趣的是，在要求识别罕见声音刺激的参与者脑电图（ERP）中可以观察到这两个峰。然而，在仅被要求被动听声音而未被赋予识别异常声音任务的参与者波形中，仅出现 P3a 成分。

因此，P3a被认为与自下而上的注意力有关，反映大脑对新异刺激的反应；而P3b则可能反映自上而下的注意力，以及大脑对目标刺激进行认知分类的过程。

您刚刚观看了JoVE关于使用偏差刺激范式研究感觉刺激处理——特别是顶叶皮层中处理过程的视频。现在，您应该了解如何设计不同的刺激、记录脑电图（EEG），以及如何生成和分析事件相关电位（ERP）。您还应理解事件相关电位如何揭示认知过程，并可用于更深入地了解某些脑损伤。

感谢观看！