Потенциал, связанный с событием

Смотрите также: Вызванный потенциал

Форма сигнала, показывающая несколько компонентов ERP, включая N100 (обозначенный N1) и P300 (обозначенный P3). ERP отображается с отрицательным напряжением вверх, что является распространенной, но не универсальной практикой в ​​​​исследованиях ERP.

Событийно -связанный потенциал ( ERP ) — это измеренная реакция мозга , которая является прямым результатом определенного сенсорного , когнитивного или двигательного события. Более формально, это любая стереотипная электрофизиологическая реакция на раздражитель. Исследование мозга таким способом обеспечивает неинвазивный способ оценки функционирования мозга.

ССП измеряют с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). ( Эквивалентом ERP в магнитоэнцефалографии МЭГ) является ERF, или поле, связанное с событиями. Вызванные потенциалы и индуцированные потенциалы являются подтипами ССП.

История

С открытием электроэнцефалограммы ( ЭЭГ) в 1924 году Ганс Бергер обнаружил, что можно измерить электрическую активность человеческого мозга, поместив электроды на кожу головы и усилив сигнал. Затем можно построить график изменений напряжения в течение определенного периода времени. Он заметил, что на напряжение могут влиять внешние события, стимулирующие чувства. ЭЭГ оказалась полезным источником регистрации активности мозга в последующие десятилетия. было очень сложно Однако оценить высокоспецифичные нервные процессы, находящиеся в центре внимания когнитивной нейробиологии, , поскольку использование чистых данных ЭЭГ затрудняло выделение отдельных нейрокогнитивных процессов. Потенциалы, связанные с событиями (ERP), предлагали более сложный метод извлечения более конкретных сенсорных, когнитивных и двигательных событий с использованием простых методов усреднения.В 1935–1936 годах Полин и Хэллоуэлл Дэвис зарегистрировали первые известные ERP у бодрствующих людей, и их результаты были опубликованы несколько лет спустя, в 1939 году. В 1940-х годах во время Второй мировой войны было проведено не так много исследований, но исследования, посвященные сенсорным проблемам, снова возобновились в 1950-х годах. В 1964 году исследования Грея Уолтера и его коллег положили начало современной эре открытий компонентов ERP, когда они сообщили о первом когнитивном компоненте ERP, названном условной отрицательной вариацией (CNV). Саттон, Брарен и Зубин (1965) сделали еще один шаг вперед, открыв компонент P3. В течение следующих пятнадцати лет исследования компонентов ERP становились все более популярными. 1980-е годы с появлением недорогих компьютеров открыли новые возможности для исследований в области когнитивной нейробиологии. В настоящее время ERP является одним из наиболее широко используемых методов в исследованиях когнитивной нейробиологии для изучения физиологических коррелятов сенсорной , перцептивной и когнитивной активности, связанной с обработкой информации.

Расчет

ССП можно надежно измерить с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) — процедуры, которая измеряет электрическую активность мозга с течением времени с помощью электродов, помещенных на кожу головы . ЭЭГ отражает тысячи одновременно происходящих в мозгу процессов . Это означает, что реакция мозга на одиночный 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 мозговая активность усреднится и сохранится соответствующая форма волны, называемая ERP.

Случайная ( фоновая ) активность мозга вместе с другими биосигналами (например, ЭОГ , ЭМГ , ЭКГ ) и электромагнитными помехами (например, линейным шумом , люминесцентными лампами) составляют шумовой вклад в регистрируемую ССП. Этот шум скрывает интересующий сигнал, который представляет собой последовательность исследуемых ERP.С инженерной точки зрения можно определить отношение 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 допущения. Эти предположения таковы:

1. Интересующий сигнал состоит из последовательности событийно-зависимых ERP с неизменной задержкой и формой.
2. Шум можно аппроксимировать гауссовским случайным дисперсионным процессом с нулевым средним. $\sigma ^{2}$ который не коррелирует между испытаниями и не привязан по времени к событию (это предположение можно легко нарушить, например, в случае, когда испытуемый делает небольшие движения языком, мысленно считая цели в эксперименте).

Определив $k$, пробный номер и $t$, время, прошедшее после $k$^й событие, каждое записанное испытание можно записать как $x(t,k)=s(t)+n(t,k)$ где $s(t)$ это сигнал и $n(t,k)$ – это шум (согласно вышеизложенным предположениям, сигнал не зависит от конкретного испытания, в то время как шум зависит).

Среднее значение $N$ испытания это

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

Ожидаемая стоимость ​ ${\bar {x}}(t)$ (как и ожидалось) сам сигнал, $\operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)$.

Его дисперсия ​

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

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

Шум широкой амплитуды (например, моргание глаз или артефакты движения ) часто на несколько порядков превышает лежащие в основе ERP. Поэтому испытания, содержащие такие артефакты, следует удалить перед усреднением. Отклонение артефактов можно выполнить вручную путем визуального осмотра или с использованием автоматизированной процедуры, основанной на заранее определенных фиксированных порогах (ограничивающих максимальную амплитуду или наклон ЭЭГ) или на изменяющихся во времени порогах, полученных на основе статистики набора испытаний.

Номенклатура

Сигналы ERP состоят из серии положительных и отрицательных отклонений напряжения, которые связаны с набором основных компонентов . Хотя некоторые компоненты ERP обозначаются аббревиатурами (например, условная отрицательная вариация – CNV, негативность, связанная с ошибками – ERN), большинство компонентов обозначаются буквой (N/P), указывающей полярность (отрицательная/положительная), за которой следует номер компонента число, указывающее либо задержку в миллисекундах, либо порядковый в форме волны. Например, отрицательный пик, который является первым существенным пиком в форме сигнала и часто возникает примерно через 100 миллисекунд после предъявления стимула, часто называется N100 ( что указывает на то, что его задержка составляет 100 мс после стимула и что он отрицательный) или N1 (указывает, что это первый пик и он отрицательный); за ним часто следует положительный пик, обычно называемый P200 или P2. Заявленные задержки для компонентов ERP часто весьма различаются, особенно для более поздних компонентов, связанных с когнитивной обработкой стимула. Например, компонент P300 может иметь пик в диапазоне от 250 до 700 мс.

Преимущества и недостатки

Относительно поведенческих мер

По сравнению с поведенческими процедурами ERP обеспечивают непрерывную оценку процесса обработки стимула и реакции, позволяя определить, на какие этапы влияет конкретная экспериментальная манипуляция. Еще одно преимущество перед поведенческими показателями заключается в том, что они могут обеспечить определенную степень обработки стимулов даже при отсутствии изменений в поведении. Однако из-за значительно небольшого размера ERP для его точного измерения обычно требуется большое количество испытаний.

По сравнению с другими нейрофизиологическими показателями

Инвазивность

В отличие от микроэлектродов, для которых требуется введение электрода в мозг, и ПЭТ -сканирований, которые подвергают людей воздействию радиации, ERP используют ЭЭГ — неинвазивную процедуру.

Пространственное и временное разрешение

ERP обеспечивают превосходное временное разрешение — поскольку скорость записи ERP ограничена только частотой дискретизации, которую записывающее оборудование может реально поддерживать, тогда как гемодинамические измерения (такие как фМРТ , ПЭТ и fNIRS ) по своей сути ограничены медленной скоростью ЖИРНОГО ответ. Однако пространственное разрешение ERP намного хуже, чем у гемодинамических методов - фактически расположение источников ERP представляет собой обратную задачу , которую нельзя точно решить, а только оценить. Таким образом, ERP хорошо подходят для исследования вопросов о скорости нейронной активности и менее подходят для исследования вопросов о месте такой активности.

Расходы

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

Клинический

Врачи и неврологи иногда используют мигающий визуальный стимул в виде шахматной доски, чтобы проверить наличие повреждений или травм в зрительной системе. У здорового человека этот стимул вызовет сильную реакцию в первичной зрительной коре, расположенной в затылочной доле , в задней части мозга.

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

• СДВ/ГГ
• Деменция
• болезнь Паркинсона
• Рассеянный склероз
• Травмы головы
• Гладить
• Обсессивно-компульсивное расстройство
• Шизофрения
• Депрессия
• Расстройство аутистического спектра
• Эпилепсия – для контроля эффективности когнитивных процессов

Исследовать

ERP широко используются в нейробиологии , когнитивной психологии , когнитивной науке и психофизиологических исследованиях. Психологи-экспериментаторы и нейробиологи обнаружили множество различных стимулов, которые вызывают у участников надежные ERP. Считается, что время этих ответов является мерой времени общения мозга или времени обработки информации. Например, в описанной выше парадигме шахматной доски первая реакция зрительной коры здоровых участников составляет около 50–70 мс. Казалось бы, это указывает на то, что именно такое количество времени требуется преобразованному зрительному стимулу для достижения коры головного мозга после того, как свет впервые попадает в глаз . Альтернативно, реакция P300 возникает примерно через 300 мс в странной парадигме , например, независимо от типа предъявленного стимула: зрительного , тактильного , слухового , обонятельного , вкусового и т. д. Из-за этой общей инвариантности относительно типа стимула P300 Считается, что компонент отражает более высокую когнитивную реакцию на неожиданные и/или когнитивные выраженные стимулы. Реакция P300 также изучалась в контексте обнаружения информации и памяти. Кроме того, существуют исследования нарушений уровня Р300 при депрессии. У пациентов с депрессией, как правило, снижена амплитуда P200 и P300 и увеличена латентность P300.

Благодаря постоянству реакции P300 на новые стимулы, можно построить интерфейс мозг-компьютер , опирающийся на него. Располагая множество сигналов в сетке, случайным образом мигая рядами сетки, как в предыдущей парадигме, и наблюдая за реакциями P300 субъекта, смотрящего на сетку, субъект может сообщить, на какой стимул он смотрит, и, таким образом, медленно «вводить "слова.

Другая область исследований в области ERP лежит в области эффективного копирования . Этот прогностический механизм играет центральную роль, например, в человеческой вербализации. Эфферентные копии, однако, возникают не только при произнесении слов, но и во внутреннем языке, т. е. при тихом производстве слов, что также было доказано потенциалами, связанными с событиями.

Другие ERP, часто используемые в исследованиях, особенно в нейролингвистических исследованиях , включают ELAN , N400 и P600/SPS . Анализ данных ERP также все чаще поддерживается алгоритмами машинного обучения.

Количество испытаний

Общая проблема в исследованиях ERP заключается в том, имеют ли наблюдаемые данные достаточное количество испытаний для поддержки статистического анализа. Фоновый шум в любой ERP для каждого человека может различаться. Поэтому простой характеристики количества исследований ERP, необходимых для надежного реагирования на компонент, недостаточно. Исследователи ERP могут использовать такие показатели, как стандартизированная ошибка измерения (SME), чтобы обосновать изучение различий между условиями или между группами. или оценки внутренней согласованности, чтобы оправдать рассмотрение индивидуальных различий.

См. также

• Потенциал готовности
• С1 и Р1
• Условное отрицательное изменение
• Разница из-за памяти
• Ранняя левая передняя негативность
• Эрих Шрегер
• Негатив, связанный с ошибками
• Вызванный потенциал
• Индуцированная активность
• Латеральный потенциал готовности
• Несоответствие негатива
• Негатив: N100 • Визуальный N1 • N170 • N200 • N2pc • N400
• Позитивность: P200 • P300 • P3a • P3b • Поздний положительный компонент • P600
• Соматосенсорный вызванный потенциал

Дальнейшее чтение

• Удача С.Дж. (2014). Введение в технику потенциального события (второе изд.). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-52585-5 . Архивировано из оригинала 17 марта 2018 г. Проверено 28 марта 2017 г.
• Лак С.Дж., Каппенман Э.С., ред. (2005). Оксфордский справочник потенциальных компонентов, связанных с событиями . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN  978-0-262-08333-1 .
• Фабиани М., Граттон Дж., Федермайер К.Д. (2007). «Потенциалы мозга, связанные с событиями: методы, теория и приложения» . В Качиоппо Дж.Т., Тассинари Л.Г., Бернтсон Г.Г. (ред.). Справочник по психофизиологии (3-е изд.). Кембридж: Кембриджский университет. стр. 85–119. ISBN  978-0-521-84471-0 .
• Полич Дж., Кори-Блум Дж. (декабрь 2005 г.). «Болезнь Альцгеймера и P300: обзор и оценка задачи и модальности». Текущие исследования болезни Альцгеймера . 2 (5): 515–25. дои : 10.2174/156720505774932214 . ПМИД   16375655 .
• Зани А., Провербио AM (2003). Когнитивная электрофизиология разума и мозга . Амстердам: Академическая пресса. ISBN  978-0-12-775421-5 .
• Кропотов Ю. (2009). Количественная ЭЭГ, потенциалы, связанные с событиями, и нейротерапия (1-е изд.). Амстердам: Elsevier/Academic. ISBN  978-0-12-374512-5 .

Внешние ссылки

• [1] - Летняя школа ERP 2017 проходила на факультете психологии Бангорского университета с 25 по 30 июня 2017 г.
• 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 ERP. Архивировано 28 ноября 2016 г. в Wayback Machine . Серия обучающих семинаров для исследователей ERP под руководством Стива Лака и Эмили Каппенман.
• Virtual ERP Boot Camp — блог с информацией, объявлениями и советами по методологии ERP.