事件相關電位基礎(第二版)（簡體書）

事件相關電位（ERP）技術是研究心理及大腦的有力工具，具有無創傷、低成本和高時間分辨率等優點，因此被廣大腦科學和心理學研究者所採用。本書可作為ERP技術的教學與實驗指南，適用於不同級別的ERP技術使用者。對於初學者，本書介紹了ERP技術的基本原理、實驗步驟和常見術語，有助於讀者入門並閱讀ERP文獻；對於具備一定基礎的中級使用者，本書在ERP實驗設計、數據分析和結果解釋等方面介紹的重要原則，可以幫助研究者在開展研究時避免常見錯誤。本書用生動又略帶詼諧的語言，介紹了ERP領域的許多研究歷史和個人軼事，總結了來自該領域頂級研究者50年以上的研究經驗。與第一版相比，本書（第二版）在內容上進行了大幅修訂，不但加入了近年來ERP領域的重要研究進展，還納入了原作者在舉辦ERP訓練營過程中積累的許多寶貴經驗，形成了一套更為完善的ERP技術體系和使用規範。

Steven J. Luck博士，教授
美國加州大學戴維斯分校心理系特聘教授，心理與腦研究中心主任，美國科學促進會（AAAS）會士。作為頭皮腦電和事件相關電位研究領域的國際權威專家，曾在《Nature》和《Nature Neuroscience》等頂級雜誌發表多篇論文，主持開發了事件相關電位分析工具箱ERPLAB，並定期舉辦事件相關電位技術訓練營，為來自世界各地的學者們提供培訓。
譯校者簡介
洪祥飛 博士
畢業于上海交通大學，博士期間曾在美國加州大學戴維斯分校心理與腦研究中心進行聯合培養，之後在佛羅里達大學生物醫學工程系任訪問學者，現任上海交通大學醫學院附屬精神衛生中心助理研究員，長期從事與腦電、事件相關電位和認知神經科學相關的研究與教學工作。
劉岳廬 博士
美國佛羅里達大學生物醫學工程博士，加州大學戴維斯分校心理與腦研究中心博士後。多年從事與事件相關電位、神經影像學和認知神經科學相關的研究。現于美國Vungle公司任高級數據科學家。曾于美國BlackThorn Therapeutics公司任高級數據科學家。

本書第一版的中文譯本在國內出版之後，很快便成為了EEG和ERP研究領域的必讀經典書籍。無論對於ERP技術的初學者，還是對於已具備一定基礎的中級ERP研究者，本書都是不可多得的一本教材。與第一版相比，第二版在ERP成分介紹、ERP實驗設計、偽跡排除與校正、ERP成分測量以及統計分析等方面均做出了大幅修訂和補充。作者不但加入了近年來ERP領域的相關研究進展，還納入了在舉辦ERP培訓班過程中積累的許多寶貴經驗。此外，第二版將溯源分析和ERP實驗室的建立等內容移到了在線補充章節，使本書的正文部分保持了緊湊性與良好的可讀性。

英文原版前言

我與事件相關電位（event-related potentials， ERPs）之間有著一種愛恨交織的關係：我喜歡出色的ERP研究，卻同時又厭惡糟糕的ERP研究。我撰寫這本書的目的，就是為了使前者越來越多，使後者越來越少。就是這麼簡單。
我有幸能夠在加州大學聖地亞哥分校Steve Hillyard的實驗室接受訓練，這個實驗室有人類電生理學研究的傳統，甚至可以回溯到1930年代最早的人類EEG（electroencephalogram）和ERP記錄。我在撰寫本書第一版時，目的是要總結Hillyard實驗室中多年以來關於ERP理論與實踐的積累，並同時包括我自己的一些想法，以使這些信息能夠在廣大的初級和中級ERP研究者中普及。
在我完成本書第一版的時候，我開始組織一個名為ERP訓練營的夏季培訓班（參見http://erpinfo.org/the-erp-bootcamp）。如今這個培訓班每年夏天都會在加州大學戴維斯分校的心理與腦研究中心舉行，為來自全世界的35名中級ERP研究者提供為期10天的關於ERP基礎知識的高強度培訓。此外，我也開始在不同的地方舉辦小型ERP訓練營，為10至100名初級和中級ERP研究者提供兩到三天的集中培訓。總之，在過去的十年間，我有機會向超過1000位研究者提供ERP培訓。舉辦訓練營真是一件令人愉快的事，因為沒有什麼事情能夠比向一群積極性很高的聰明人教授你所關心的東西更加令人滿足了。
訓練營也使我瞭解到許多關於新手和中級ERP研究者想要知道的知識，為我發展出更好的方式以教授ERP方法提供了機會。本書第二版的目的就是要利用這些經驗來更新、擴充以及闡明第一版中提供的材料。我利用在訓練營中已被證明是最有效的方式來組織這些材料，並且試圖回答我在多個訓練營中常被問到的問題。我希望最終的結果可以滿足具有不同專業水平以及廣泛研究興趣的研究者的需求。

目 錄

第一章 事件相關電位技術概述 /
1. 本書的概述、目的和觀點 /
2. 本章概述 /
3. 一點歷史 /
4. 例子1：經典Oddball範式 /
5. 例子2：N170成分和面孔處理 /
6. ERPs的神經起源概述 /
7. 例子3：精神分裂症患者的認知衰退 /
8. 振盪和濾波 /
9. ERP實驗的基本步驟概述 /
10. ERP技術的優勢 /
11. ERP技術的劣勢 /
12. 與其他的生理測量手段比較 /
13. 閱讀建議 /
第二章 深入瞭解事件相關電位及其成分 /
1. 本章概述 /
2. 電學的基本概念 /
3. ERPs的神經起源 /
4. 正問題和ERP成分在頭皮表面的疊加 /
5. ERP定位問題中的挑戰 /
6. 波峰與潛在的ERP成分 /
7. 利用差異波分離ERP成分 /
8. 什麼是ERP成分？ /
9. 如何識別特定的ERP成分？ /
10. 閱讀建議 /
第三章 常見事件相關電位成分概述 /
1. 本章概述 /
2. 命名的傳統 /
3. CNV和刺激前負波 /
4. 視覺感官響應 /
5. 聽覺感官響應 /
6. 體感、嗅覺和味覺響應 /
7. N2家族 /
8. 失匹配負波 /
9. N2pc、干擾正波和對側延遲活動 /
10. P3家族 /
11. 與語言相關的ERP成分 /
12. 與長程記憶相關的ERP成分 /
13. 與情緒相關的ERP成分 /
14. 與錯誤相關的ERP成分 /
15. 與反應相關的ERP成分 /
16. 穩態ERPs /
17. 基於ERP成分推斷認知過程時存在的一般性問題 /
18. N2pc、 CDA、 N400和ERN成分的發現 /
19. 閱讀建議 /
第四章 ERP實驗設計 /
1. 本章概述 /
2. ERP成分解釋時避免歧義的策略 /
3. 常見的設計問題和解決方法 /
4. 關於時間的建議：持續時間、SOA、 ISI和ITI /
5. 來自文獻的例子 /
6. 閱讀建議 /
第五章 ERP記錄的基本原則 /
1. 本章概述 /
2. 乾淨數據的重要性 /
3. 活動電極、參考電極和接地電極 /
4. 電極和阻抗 /
5. 信號的放大、濾波和數字化 /
6. 閱讀建議 /
第六章 偽跡排除與校正 /
1. 本章概述 /
2. 偽跡排除的基本過程 /
3. 特定類型偽跡的最小化與檢測 /
4. 關於偽跡排除的幾點實用建議 /
5. 偽跡校正基礎 /
6. 閱讀建議 /
第七章 傅裡葉分析與濾波基礎 /
1. 本章概述 /
2. 傅裡葉分析基礎 /
3. 頻域濾波基礎 /
4. 時域濾波基礎 /
5. 由濾波引起的失真 /
6. 關於濾波的一些建議 /
第八章 基線校正、迭加平均與時頻分析 /
1. 本章概述 /
2. 從EEG數據中提取分段 /
3. 基線校正 /
4. 迭加平均 /
5. 迭加平均ERP波形中的個體差異 /
6. 振幅變異（不）引起的問題 /
7. 潛伏期變異帶來的問題 /
8. 時頻分析基礎 /
9. 閱讀建議 /
第九章 ERP振幅與潛伏期的量化 /
1. 本章概述 /
2. 基本測量算法：峰振幅、峰潛伏期以及平均振幅 /
3. 峰振幅與平均振幅的優缺點 /
4. 面積測量 /
5. 使用部分面積估計中點潛伏期 /
6. 起始潛伏期 /
7. 比較ERP潛伏期與反應時 /
8. 閱讀建議 /
第十章 統計分析 /
1. 本章概述 /
2. 術語 /
3. 傳統方法 /
4. 刀切法 /
5. 選擇時間窗和電極點：隱性多重比較問題 /
6. 閱讀建議 /
附錄：線性運算、非線性運算以及處理步驟的順序 /
注釋 /
術語表 /
譯者後記 /

第一章 事件相關電位技術概述

1. 本書的概述、目的和觀點

事件相關電位（ERP）技術為研究人類心理與大腦提供了一項有力工具。本書旨在通過介紹實用方法和一些內在概念，來幫助讀者更好地開展ERP研究。
本書的前半部分主要介紹必需的基本信息。第一章是針對ERP領域初學者的一個概述。第二章通過對ERPs的深入觀察，探討幾乎每項ERP研究中都會遇到的一些問題。第三章概述了最為常見和有用的ERP成分。第四章介紹ERP實驗的設計，旨在幫助讀者設計自己的實驗，並對發表的研究進行批判性評價。
本書的後半部分詳細介紹了ERP實驗中所涉及的主要步驟，包括腦電圖（EEG）的記錄（第五章）、偽跡的排除和校正（第六章）、EEG和ERP波形的濾波（第七章）、ERPs迭加平均和時頻分析（第八章）、振幅和潛伏期的測量（第九章）以及統計分析（第十章）。這些內容旨在幫助讀者理解這些步驟，進而在開展和分析ERP實驗時作出最佳選擇。
為了控制本書的篇幅並兼顧合理的售價，網站上提供了一些額外的章節和閱讀材料（http： //mitpress.mit.edu/luck2e），讀者可以免費獲取。其中包括一些正文章節中關於細節和進階內容的補充材料，以及關於下列內容的額外章節： 卷積（一個簡單的數學過程，對於理解ERPs非常重要）；時域和頻域之間的關係；高級統計方法；源定位；如何閱讀、撰寫以及評閱ERP論文；如何建立和運行一個ERP實驗室。
讀者在閱讀時不必拘泥於章節的順序。如果你正在開展和分析你的第一個ERP實驗，那麼你也許想從介紹數據記錄和基本數據分析步驟的章節開始閱讀。但是，最終請回到開頭跳過的章節，因為這些內容有助於你避免在解釋結果時常犯的一些錯誤。
本書主要聚焦於我自己的實驗室和全世界許多其他實驗室中所應用的主流技術方法。在我還是研究生的時候，我在加州大學聖地亞哥分校（UCSD）Steve Hillyard的實驗室中學習了其中的許多技術，這個實驗室在電生理記錄方面有著悠久的歷史，可以追溯到Hallowell Davis於20世紀30年代在哈佛大學的實驗室。Hallowell Davis是Bob Galambos的導師，Bob Galambos後來又成了Steve Hillyard的導師。實際上Bob Galambos是20世紀30年代非常早期的ERP實驗中的一個受試者，我在研究生階段的許多時光都是跟Bob Galambos一起度過的。Bob Galambos退休後，Steve Hillyard繼承了他的實驗室，隨後開展了可能超過所有早期其他ERP研究者的一系列工作，從而向世人證明了ERP技術可以被用來回答認知神經科學領域中的重要問題。本書中的許多內容展現了我在研究生階段學習到的50年以上ERP研究經驗的結晶。
儘管本書介紹的是非常傳統的ERP記錄和分析過程，但是我的ERP研究方法與其他研究者相比仍有所不同，這體現了科學研究基本方法學方面存在的一些差異。例如，我認為採用適當數量的電極記錄到非常乾淨的信號，要好于在大量電極上記錄到噪聲較大的信號。類似地，我傾向於用一個嚴格的實驗設計加上相對簡單的數據分析，而不是依賴於一系列複雜的數據分析過程。正如你即將在後續章節中看到的，甚至最簡單的處理（例如迭加平均、濾波、偽跡排除）也會導致不想看到的副作用。因此，數據分析過程越多，你最終得到的結果距離所記錄的信號就越遠，你得到一個並非反映真實大腦活動的偽跡信號的可能性也越大。當然，通過一些處理過程來去除噪聲是必要的，但我認為當數據自己發出聲音時，真相才是最清楚的，因為這時實驗者還未將數據歪曲為他（她）想聽到的內容。
有一些ERP研究者認為，我在高密度電極陣列和複雜數據分析技術方面的觀點是非主流的。但是，目前大部分在科學界（除了ERP領域的研究者之外）有影響力的ERP研究都是依賴於巧妙的實驗設計，而非複雜的數據分析處理技術。即使你仍準備採用這些技術，本書依然能夠為你提供一個使用它們的堅實基礎，你將學會如何正確使用它們。

2. 本章概述
本章對ERP技術提供了一個寬泛的概述。本章是為了在介紹後續細節內容之前，給ERP初學者提供一個關於ERP研究的大體印象。儘管如此，本章內容對高級ERP研究者可能也有所幫助。
本章的餘下部分將首先介紹ERP技術的簡要歷史，然後通過兩個研究實例使ERP技術更加具體化。下一部分將介紹ERPs如何在大腦中形成並傳播到頭皮表面。隨後通過一個擴展實例說明ERP實驗開展和分析過程中的基本步驟。接下來將對兩個重要概念，即振盪和濾波進行討論，同時詳細描述它們在ERP數據采集和分析中的應用。本章最後將介紹ERP技術的優缺點，並將它與其他常見技術進行比較。

方框1.1

治療及副反應



數據處理過程試圖通過抑制數據中的噪聲來揭示某個特定方面的大腦活動，類似於醫學中用於抑制某種疾病的症狀表現而設計的治療方案。就像醫生會告訴你的那樣，任何治療都會有副作用。例如，布洛芬是一種治療頭痛和肌肉酸痛的常見特效藥，但是它會引起不良副反應。根據維基百科，布洛芬可能引起的常見副反應包括噁心、消化不良、消化道出血、肝酶升高、腹瀉、鼻出血、頭痛、頭暈、不明原因的皮疹、鹽和液體瀦留以及高血壓。這些還僅僅是常見副反應而已！布洛芬可能引起的罕見副反應包括食道潰瘍、血鉀過高、腎功能損害、意識混亂、支氣管痙攣以及心衰。沒錯，心衰！
ERP數據處理過程，例如濾波，同樣會帶來副反應。根據Luck百科（Luckipedia），濾波引起的常見副反應包括起始時間點的失真、截止時間點的失真、無法解釋的波峰以及結論說服力的輕微下降。濾波器引起的罕見副反應包括人為振盪的引入、非常錯誤的結論、評審人的公開羞辱以及基金申請的失敗。
然而，這並不意味著你應該完全拋棄濾波和其他ERP數據處理步驟。正如布洛芬可以有效治療（小劑量）頭痛和肌肉酸痛，適度的濾波能夠有助於揭示真實效應，同時避免引起嚴重的副反應。然而，你需要瞭解如何操作才能使數據處理引起的副反應最小，同時你還要知道在副反應出現時如何正確地識別出它們，以避免被審稿人當眾羞辱或基金申請失敗。

關於一些基本術語的定義，請參考術語表。如果你不清楚
誘發電位
和
事件相關電位
之間的區別，或者不清楚
刺激起始時間間隔（SOA）
、
刺激間時間間隔（ISI）
和
試次間時間間隔（ITI）
之間的區別，或者不清楚
局部場電位
和
單細胞記錄
之間的區別，那麼請瀏覽一下術語表。

3. 一點歷史
我認為在學習一項新技術之前，瞭解一些相關歷史是一個不錯的主意。因此，這部分內容將介紹20世紀30年代ERP技術的誕生過程，以及在隨後80餘年間ERP技術應用的發展過程。然而，如果你認為這節歷史課沒必要，那麼請跳過這部分內容。
Hans Berger於1929年報告了一組備受關注卻又充滿爭議的實驗。他的實驗說明，通過將放置在頭皮上的電極所採集到的電信號進行放大，並畫出電壓隨時間的變化，就可以記錄到人腦中的電活動。這種電活動被稱為腦電圖（electroencephalogram， EEG）。在那個時代，神經生理學家腦中的概念完全被動作電位所佔據，因此其中許多人認為Hans Berger觀察到的這種相對低頻且有節律性的腦波信號是某種偽跡。例如，如果你把電極放到一個裝滿果凍的平底鍋中並且晃動它，會看到類似的信號。然而，幾年之後人類腦電活動又被一個備受尊重的生理學家Adrian觀測到了，而且Berger觀察到的一些細節也被Jasper和Carmichael(1935)以及Gibbs、 Davis和Lennox(1935)所證實。這些發現才最終導致腦電圖作為一個真實存在的現象被認可。
在接下來的幾十年間，腦電圖成為了科學研究和臨床應用中非常有用的工具。然而，腦電圖是一個非常粗略的大腦活動測量方法，而認知神經科學領域中所關注的大部分神經活動都具有高度特異性，這是無法通過原始腦電信號進行測量的。這在一定程度上是因為腦電圖反映了許多不同神經活動的混合疊加，很難從中分離出單個神經認知過程。然而，埋藏在腦電圖中的是與特定感官、認知以及運動事件相關的神經響應，因此有可能通過簡單的迭加平均技術（或者更為複雜的技術，例如時頻分析）提取出這些響應。這些特定的響應被稱為事件相關電位，表示與特定事件有關聯的電位活動。
據我所知，首個人類感官ERP成分記錄是由Pauline和Hallowell Davis於1935年至1936年期間完成的，幾年之後得以發表(Davis, 1939； Davis， Davis， Loomis， Harvey, & Hobart, 1939)。很久之後電子計算機才被用來記錄腦電信號，但是當時的研究者已經能從變化不大的EEG中觀察到單個試次清晰的ERPs（首個利用電子計算機記錄ERP波形的研究由Galambos和Sheatz於1962年發表）。受第二次世界大戰的影響，20世紀40年代所開展的ERP研究很少，而到50年代相關研究又多了起來。這時大部分研究都關注感官方面的內容，但是仍然有部分研究探討了自上而下調控效應對於感官響應的影響。
1964年Grey Walter和同事們報道了首個認知相關的ERP成分，並將其命名為“關聯性負變”（contingent negative variation， CNV）(Walter， Cooper， Aldridge， McCallum, & Winter, 1964)，這標誌著現代ERP研究的正式開始。在這項研究的每個試次中，首先給受試者呈現一個警告信號（例如一個哢噠聲），然後在500或者1000毫秒之後再呈現一個靶刺激（例如一系列的閃光）。在沒有任務的情況下，警告信號和靶刺激都會誘發出預料中的感官ERP響應。然而，如果要求受試者在看到靶刺激時點擊按鍵，那麼在警告信號和靶刺激之間的時間段，額葉電極上會出現一個大的負向電壓。這個負向電壓，即CNV，顯然不是一個感官響應。恰恰相反，它似乎表徵了受試者對於即將到來的靶刺激所進行的準備。這個激動人心的發現促使很多研究者開始探索與認知相關的ERP成分（關於近期CNV研究的綜述，可以參考Brunia， van Boxtel, & Bcker, 2012）。
下一個重大進展則是
1965年由Sutton、 Braren、 Zubin和John發現的P3成分。他們在實驗中設計了一個受試者無法預測下一刺激是聽覺還是視覺模態的場景，發現刺激之後300毫秒左右會出現一個很大的正向成分。他們將其稱為P300成分（儘管現在常稱為P3）。如果將這個場景改為受試者可以預測刺激的感官模態，那麼這個成分會變小很多。他們從信息論的角度，描述了無法被預測和可以被預測的刺激所誘發的大腦活動差異。這篇論文激發了巨大的研究興趣，該發現後來成為了認知心理學領域中一個非常熱門的話題。為了瞭解這篇論文的影響力，我在Google Scholar上進行了快速搜索，發現有超過27000篇論文都談到了“P3”或“P300”，以及“事件相關電位”，說明已有大量與P3相關的研究。此外，Sutton等人在1965年的論文也已經被引用超過1150次。毫無疑問，已經有數以百萬計的美元被用在P3研究中（更不用說還有許多歐元、英鎊、日元和人民幣等等）。
在這篇論文發表之後的15年內，許多研究開始關注多種認知ERP成分，也開發了認知實驗中ERPs的記錄和分析方法。由於人們對能夠記錄到與認知相關的大腦活動感到興奮，這一時期的ERP論文經常發表在《科學》（Science）和《自然》（Nature）上。這些研究中的大部分都關注ERP成分的發現和理解，而不是利用其回答更有廣泛興趣的科學問題。我願意將這種實驗稱為“ERP學”，因為它僅僅是研究ERPs的。
雖然ERP學實驗無法直接告訴我們與心理和大腦有關的信息，卻可以為我們解答感興趣問題提供非常重要的信息。許多ERP學研究今天仍在繼續，使得我們可以不斷更新對數十年前所發現成分的理解，以及發現新的成分。幾年前Emily Kappenman和我編了一本關於ERP成分的書，其中總結了所有這些ERP學的內容（Luck & Kappenman, 2012a）。
然而，由於20世紀70年代的ERP研究大都聚焦於ERP學，導致在20世紀70年代晚期和80年代早期時，ERP技術在許多認知心理學家和神經科學家中間的名聲很壞。然而隨著時間的推移，越來越多的ERP研究致力於回答具有廣泛興趣的科學問題，ERP技術的名聲由此才開始好轉。到了20世紀80年代，一定程度上得益於計算機的價格降低和認知神經科學研究的興起，ERP研究開始變得更加流行。當正電子發射成像（positron emission tomography， PET）和功能核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）出現之後，許多ERP研究者認為ERP研究可能會消亡了，但是完全相反的事情卻發生了；許多ERP研究者明白ERPs可以提供關於大腦和心理的高時間分辨率信息，而這是其他方法所無法得到的，ERP研究也因此變得更加繁榮而不是消亡。

4. 例子1： 經典Oddball範式
為了介紹ERP技術，我會首先描述一個基於經典Oddball範式的簡單實驗，這個實驗多年以前曾在我的實驗室中開展過（我們沒有發表這項實驗，但是這並不妨礙它成為多年以來的一個成功案例）。這裡的目的是為如何開展一個簡單ERP實驗提供一個總體概念。
如圖1.1所示，實驗中的受試者會看到一個由80%的字母X和20%的字母O組成的刺激序列，受試者需要對字母X和字母O分別點擊不同的按鍵。每個字母在屏幕上會呈現100毫秒，隨後是1400毫秒黑屏的刺激之間間隔。當受試者完成這項任務時，我們利用一個含有多個電極的電極帽來記錄其腦電信號。正如第五章中將會詳細介紹的那樣，腦電信號記錄通常需要一個或多個活動