一、ERP概述

ERP(event-related potentials)即事件相關(guān)電位，是一項(xiàng)無損傷性腦認(rèn)知成像技術(shù)，其電位變化是人類身體或心理活動(dòng)有時(shí)間相關(guān)的腦電活動(dòng)，在頭皮表面記錄到并以信號(hào)過濾和疊加的方式從EEG中分離出來，1965年由Sutton開創(chuàng)為打開大腦功能這一“黑箱”，提供了一個(gè)更為客觀且簡便可行的方法，具體來說是指當(dāng)外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，在腦區(qū)引起的電位變化，在這里，將刺激視為一種事件(event)。從本質(zhì)上講，ERP就是一種特殊的腦誘發(fā)電位。

而誘發(fā)電位(EP，evoked potentials)記錄的是神經(jīng)系統(tǒng)對刺激本身產(chǎn)生的反應(yīng)，因此，按刺激的種類可以分為聽覺誘發(fā)電位、視覺誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位，也有嗅覺和味覺等誘發(fā)電位。刺激種類不同，誘發(fā)電位的基本波形特征亦有所不同。大量研究表明，ERP的早期成分與認(rèn)知活動(dòng)也有一定的密切關(guān)系，如聽覺P50、視覺C1和P1等，因此，在認(rèn)知ERP研究中注意不同誘發(fā)電位的基本特征就顯得尤為重要，尤其是認(rèn)知活動(dòng)通道特異性的研究。一般來說，ERP是將腦電圖的波疊加再平均來計(jì)算的。具有以下的特征:ERP是一種特殊的誘發(fā)電位，屬于近場電位(near-field potentials，記錄電極位置距活動(dòng)的神經(jīng)結(jié)構(gòu)較近)；一般要求被試實(shí)驗(yàn)時(shí)在一定程度上參與實(shí)驗(yàn)；刺激的性質(zhì)、內(nèi)容和編排多樣，目的是啟動(dòng)被試認(rèn)知過程的參與；ERP成分除與刺激的物理屬性相關(guān)的“外源性成分”，還包括主要與心理因素相關(guān)的“內(nèi)源性成分”以及既與刺激的物理屬性相關(guān)又與心理因素相關(guān)的中源性成分。對人腦產(chǎn)生的ERP有多種分類，但最初和較為全面的分類方法，還是將ERP分為外源性成分和內(nèi)源性成分。外源性成分是人腦對刺激產(chǎn)生的早成分，受刺激物理特性(強(qiáng)度、類型、頻率等)的影響，如聽覺P50、N1、視覺C1和P1等；內(nèi)源性成分與人們的知覺或認(rèn)知心理加工過程有關(guān)，與人們的注意、記憶、智能等加工過程密切相關(guān)，不受刺激的物理特性的影響，如CNV、P300、N400等。內(nèi)源性成分為研究人類認(rèn)知過程的大腦神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)機(jī)制提供了有效的理論依據(jù)。

二、fMIR概述

腦功能成像技術(shù)是20世紀(jì)80-90年代出現(xiàn)的成像技術(shù)，主要包括正電子發(fā)射斷層顯像(PET，position emission computerized tomography)、單光子發(fā)射斷層顯像(SPECT，single photon emission computerized tomography)、功能核磁共振成像(fMRI，functional magnetic resonance imaging)、腦磁圖(MEG，magnetoencephalography)、腦電圖(EEG，electroencephalography)和光學(xué)成像等。與計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)(CT，computerized tomography)、磁共振成像(MRI，magnetic resonance imaging)等結(jié)構(gòu)成像不同，功能成像所得到的是反映機(jī)體功能的信息。

關(guān)于fMIR的成像原理，目前，一般認(rèn)為fMRI應(yīng)包括：血氧水平依賴性成像(blood oxygen level dependentimaging，，BOLD)、灌注加權(quán)成像(perfusion weighted imaging，PWI)、彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、腦磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopy imaging，MRSI)[2]。

BOLD是通過腦動(dòng)脈內(nèi)去氧血紅蛋白的含量變化對腦皮質(zhì)局部功能活動(dòng)變化進(jìn)行MR成像的一種腦功能影像學(xué)檢查手段，去氧血紅蛋白的磁敏感性是BOLD的成像基礎(chǔ)。BOLD-fMRI最早出現(xiàn)在1992年，它是一種無創(chuàng)性檢查，且具有較高的信號(hào)敏感性和空間特異性，是目前最流行的fMRI技術(shù)。所謂灌注即指血流通過毛細(xì)血管網(wǎng)的過程，通過對局部灌注的測量可以了解局部組織的生理功能和能量代謝的情況。磁共振灌注成像一方面通過注射對比劑研究器官、組織的微血管灌注循環(huán)情況，另一方面，使用一些對水分子微量運(yùn)動(dòng)特別敏感的成像序列觀察微循環(huán)的灌注情況。因此，它還是一種研究生理學(xué)的檢查方法。灌注加權(quán)成像包括三種方法，一是經(jīng)靜脈內(nèi)注射磁共振對比劑后行快速成像序列成像；二是利用血流內(nèi)水分子自旋標(biāo)記技術(shù)來觀察微循環(huán)的灌注情況；三是利用體素內(nèi)相位不一致運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行灌注成像，此種方法現(xiàn)已很少用。彌散加權(quán)成像是建立在人體組織微觀流動(dòng)效應(yīng)基礎(chǔ)之上，利用人體內(nèi)不同情況下水分子擴(kuò)散程度的不同所造成的信號(hào)改變進(jìn)行磁共振成像。研究證明水分子具有隨機(jī)自由運(yùn)動(dòng)的特性，即所謂布朗運(yùn)動(dòng)(也稱熱運(yùn)動(dòng)、彌散運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng))，這種運(yùn)動(dòng)在空間任意方向上都有運(yùn)動(dòng)軌跡，且受分子結(jié)構(gòu)及溫度影響。彌散張量成像是在彌散加權(quán)成像基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種fMRI技術(shù)，是利用人體內(nèi)水分子在不同方向上其自由運(yùn)動(dòng)不同所造成的信號(hào)改變進(jìn)行成像的，它是一項(xiàng)顯示組織內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的成像技術(shù)。腦磁共振波譜分析(MRS)是一種利用NMR現(xiàn)象和化學(xué)位移作用，進(jìn)行系列特定原子核及其他化合物定量分析的方法，于1973年首次應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在臨床上，主要用于研究人體內(nèi)部器官，對組織代謝和生理生化改變進(jìn)行定量分析。

三、ERP技術(shù)和fMRI技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

目前，ERP和fMRI的研究已經(jīng)深入到心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了許多與認(rèn)知活動(dòng)過程密切相關(guān)的成分。例如：Sutton等在識(shí)別不同聲調(diào)時(shí)記錄到一個(gè)潛伏期約300ms的正波(P300)，大量研究結(jié)果表明P300是與注意、辨認(rèn)、決策、記憶等認(rèn)知功能有關(guān)的ERP成分，現(xiàn)在己廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、測謊等領(lǐng)域；N?覿?覿t?覿nen等采用相減的方法首先提取出失匹配負(fù)波(mismatchnegativity，MMN)和加工負(fù)波(processing negativity，PN)，并提出了注意的腦機(jī)制模型和記憶痕跡理論，成為近年注意研究的前沿問題；Kutas & Hillyard首先觀察到反映語義認(rèn)知加工過程的N400，圍繞N400的一系列研究，促進(jìn)了對人腦語言加工腦機(jī)制的認(rèn)識(shí)，而且，N400的發(fā)現(xiàn)不僅在于使ERP增加了一個(gè)具有特定意義的成分，擴(kuò)大了ERP的研究范圍，重要的是將ERP成功地運(yùn)用到了語言心理學(xué)，給語言心理學(xué)注入了新的活力，使探討語言加工的腦機(jī)制成為可能。fMRI不僅實(shí)現(xiàn)了對視覺運(yùn)動(dòng)加工區(qū)的精確定位，而且闡明了各腦區(qū)的功能作用。早期fMRI研究表明，手部運(yùn)動(dòng)的功能活動(dòng)區(qū)在對側(cè)中央溝周圍皮層，是個(gè)較為局限的區(qū)域。主要為第一皮層功能區(qū)(SM1)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(SMA)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)(PMA)。SM1主要位于中央溝前后區(qū)域，是對側(cè)主要興奮區(qū)，同側(cè)幾乎檢測不到。fMRI研究顯示，口述語言可引起額葉、強(qiáng)葉及扣帶回前部的興奮，其所采用的簡單詞語刺激多為同一字母開頭的單詞，同時(shí)每隔2—5秒，受試者會(huì)得到視覺或聽覺的暗示。詞語生成時(shí)可引起補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)區(qū)、扣帶前回、左側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)、左側(cè)Broca區(qū)、左側(cè)背側(cè)額前皮質(zhì)、左側(cè)顳后回、雙側(cè)丘腦及雙側(cè)基底節(jié)區(qū)的興奮，生成動(dòng)詞和生成名詞時(shí)無顯著性差異。記憶是人類認(rèn)知和適應(yīng)日常生活的基礎(chǔ)，應(yīng)用fMRI對記憶機(jī)制的研究有利于揭示人腦工作原理、防治記憶疾思和提高人類記憶潛力，而且對于發(fā)展新型信息處理機(jī)器也有重大作用。目前對兒童腦功能成像的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：大腦發(fā)育的研究和術(shù)前感覺運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知區(qū)域定位的研究。fMRI己越來越多地應(yīng)用于臨床疾病的分析，如術(shù)前腦功能的定位、術(shù)中癲癇灶的切除范圍，它也開始用于預(yù)測異常腦組織生長后的功能障礙，如認(rèn)知障礙、失語癥、運(yùn)動(dòng)障礙，其中最令人興奮的是在與組織結(jié)構(gòu)異常無關(guān)的神經(jīng)功能損傷方面的應(yīng)用，它也可能將被發(fā)展用于直接定位中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性藥物的作用部位。

ERP不像普通誘發(fā)電位記錄神經(jīng)系統(tǒng)對刺激本身產(chǎn)生的反應(yīng)，而是大腦對刺激帶來的信息引起的反應(yīng)，反映的是認(rèn)知過程中大腦的神經(jīng)電生理改變。ERP的優(yōu)勢在于具有很高的時(shí)間分辨率，是研究認(rèn)知過程中大腦活動(dòng)的不可多得的技術(shù)方法。

fMRI是通過測定磁共振信號(hào)變化來反映血氧飽和度及血流量，而不是直接顯示神經(jīng)細(xì)胞的功能活動(dòng)，所以在臨床工作中特別是在腦腫瘤患者中fMRI的敏感度會(huì)下降，其原因一是由于腦腫瘤內(nèi)和腫瘤周圍血管自身調(diào)節(jié)功能較低，在受到刺激時(shí)血流量增加不明顯或不增加，造成fMRI對還存有功能活性的感覺、運(yùn)動(dòng)皮層的敏感性減低或不能顯示；二是由于占位效應(yīng)的影響，腫瘤及其周圍壓力增大，小靜脈受壓，使功能活動(dòng)區(qū)的氧合血紅蛋白的流出速度加快，局部濃度減低，這樣脫氧血紅蛋白的相對濃度增大，MR信號(hào)降低，從而削弱了fMRI對功能活動(dòng)區(qū)的檢出能力。因此fMRI還有許多技術(shù)問題需要深入研究和探索，但它作為一種新的成像手段具有高分辨率、高精確度、非侵襲性、無須注射對比劑等特點(diǎn)。它對腦表面和深部的活動(dòng)均能顯示，對合作良好者具有很高的敏感性。

在分別做ERP和fMIR實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們知道做兩次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的額外變量要大于在一次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的，所以誤差也會(huì)變大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的任務(wù)，不同的準(zhǔn)備時(shí)間，實(shí)驗(yàn)環(huán)境等都會(huì)影響被試實(shí)驗(yàn)的時(shí)候的腦波的變化，即使在一個(gè)定義好的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中同一個(gè)被試在同一個(gè)任務(wù)下也會(huì)可能有不同的表現(xiàn)，在兩種技術(shù)分別實(shí)驗(yàn)的時(shí)候.多個(gè)激活腦區(qū)在頭皮上的獨(dú)立映射可以稱為觀測峰值的獨(dú)立成分或子成分，而每個(gè)激活腦區(qū)稱為獨(dú)立源。獨(dú)立成分分析(Independent Component Analysis，ICA)的普遍性在于它的簡單原理，即不同的生理過程都會(huì)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的信號(hào)。頭皮所記錄到的EEG是來自多個(gè)源的信號(hào)的總和，ICA可以計(jì)算出統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的可能由不同生理過程產(chǎn)生的單個(gè)信號(hào)。作為20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)信號(hào)處理方法(Comon，1994)，ICA的基本含義是把信號(hào)分解成若干個(gè)相互獨(dú)立的成分。目前，ICA被認(rèn)為是處理生理信號(hào)的首選方法。進(jìn)來我們在動(dòng)機(jī)行為實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了一個(gè)實(shí)驗(yàn)接著一個(gè)實(shí)驗(yàn)的ERP技術(shù)來作為變量預(yù)測BOLD的反應(yīng).運(yùn)用ERP的單個(gè)變量提取的方法來測BOLD信號(hào)在腦的特定的部位是行為管理研究的一個(gè)關(guān)鍵。

正是由于兩種技術(shù)具有各自的優(yōu)點(diǎn)和巨大的應(yīng)用價(jià)值，而為了更好揭開人類大腦這個(gè)黑箱子的秘密，迫使兩者結(jié)合使用的方法已經(jīng)提上日程，當(dāng)前正是研究的熱點(diǎn)問題，ERP和fMRI已經(jīng)在科學(xué)、臨床等領(lǐng)域取得了很多成果，當(dāng)前新的發(fā)展趨勢是fMRI將向著與多種技術(shù)聯(lián)合的方向發(fā)展，就可以得到更多的腦功能活動(dòng)信息。隨著該技術(shù)的不斷完善，兩種高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的技術(shù)的結(jié)合使用必將成為探索人類認(rèn)知(如學(xué)習(xí)、記憶)與思維活動(dòng)等復(fù)雜、診治腦部疾病的一種有力工具，也將帶來腦科學(xué)研究的又一個(gè)朝氣的春天。