ERP 的神经机制诱发模型还是相位重排模型.pdf

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1、心理科学进展 2011,Vol.19,No.4,487498 Advances in Psychological Science DOI:10.3724/SP.J.1042.2011.00487 487 研究方法(Research Method)ERP 的神经机制：诱发模型还是相位重排模型?*张丹丹 罗跃嘉(北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,北京 100875)摘 要 ERP 的神经机制问题一直存在争议。诱发模型认为,ERP 产生于触发事件诱发的确定性响应电位,该诱发电位与背景脑电振荡相互独立。相位重排模型认为,触发事件并不会诱发出一个独立于脑电信号的诱发电位,ERP 产生于背景脑

2、电节律振荡的部分相位重排。已有研究提供了各种实验证据以支持诱发模型或/和相位重排模型,同时也引发了相关学者的诸多质疑。实验记录方式、数据处理及分析方法等方面的提高有利于进一步澄清 ERP 的神经机制。关键词 事件相关电位;诱发模型;相位重排模型;神经机制 分类号 B841.1 1 引言 外部的物理刺激或内在的认知活动会引起脑电信号(electroencephalogram,EEG)发生相应的事件相关变化。在相同触发事件的刺激下,将若干次刺激记录得到的脑电活动(注：后文用 single trial 表示单次刺激记录得到的脑电活动)以触发时刻为基准进行时间对齐、叠加、平均,可获得事件相关电位(ev

3、ent-related potential,ERP)。ERP 具有精确的时间分辨率,对研究感知觉以及更高级的认知活动具有非常重要的意义。ERP 的神经机制长期以来存在争议。传统观点认为,ERP 是触发事件诱发的、波形和潜伏期恒定的诱发响应,该诱发响应与背景脑电活动相互独立,即诱发电位是线性叠加在背景脑电信号之上的。这一强调外加电位的独立性以及线性加和性的 ERP 神经机制称为“诱发模型(the evoked model)”。通过“叠加平均”提取 ERP 的方法即隐含了诱发机制的假设：ERP 是由某触发事件诱发的,收稿日期:2010-12-28*国家自然科学基金委重点项目(30930031)、国

4、家科技部 973 项目(2011CB711001)、国家科技部支撑计划(2009BAI77B01)。通讯作者:罗跃嘉,E-mail: 潜伏期及相位恒定的神经电活动,该诱发电活动淹没在脑电信号形成的“背景噪声”中。脑电信号可看作由各种节律成分(如 alpha、beta、theta、delta等)的周期性振荡叠加而成。脑电振荡与触发事件无关,且single trial之间相位随机,叠加平均处理使背景脑电信号趋于零电位,而与触发事件具有锁时锁相关系的诱发电位则凸显出来。诱发模型是经典的 ERP 神经机制,受到Hillyard 等(1985)大部分学者的支持。然而越来越多的研究表明,ERP 的许多特性

5、并不能完全由该理论得到解释。Sayers 等早在 1974 年分析听觉诱发电位时就发现,诱发模型不能解释不同强度的听觉刺激引发的 ERP 结果;相反,single trial 在刺激发生后某时刻的相位对齐的程度与刺激强度之间存在良好的对应关系。作者推断,听觉刺激对自发的背景脑电节律振荡的影响可能主要是相位调控的(phase-control)。由此,ERP 的“相位重排模型(the phase reset model)”被提出。该模型认为,触发事件(物理刺激或认知活动)的发生并不会诱发出一个独立于脑电信号的诱发响应电位,ERP产生于脑电信号的部分相位重排(partial phase reset)

6、,相位重排的发生时间与触发事件具有固定 的 时 延。相 位 重 排 使 脑 电 节 律 振 荡 信 号(ongoing oscillations of EEG)与触发事件形成锁时锁相的关系,即 single trial 在刺激发生后的某488 心 理 科 学 进 展 第 19 卷 一个固定的时段内同步性增强,将信号进行对齐、叠加、平均处理,同样可以得到 ERP 波形(参见图 1)。近年来,许多研究者利用理论推导(Tass,2000)或实验结果支持 ERP 的相位重排机制。他们认为,ERP 至少在一定程度上(如果不是完全地)产生于脑电节律振荡的相位重排(Basar,1999a,b)。同时,不断有

7、学者提出反对意见,认为目前对相位重排模型有利的实验证据存在理论或方法学上的缺陷,因此并不能严格地证明该模型的成立(Sauseng et al.,2007)。本文对 ERP 神经机制的上述争论进行综述,并提出可能的解决方案。图 1 ERP 的诱发模型和相位重排模型示意图(修改自 Sauseng et al.,2007)。(A)在没有触发事件的情况下,single trial之间为非锁相关系,叠加平均后得到零电位;(B)ERP 的诱发模型认为,存在一个波形和潜伏期恒定的诱发响应电位,该诱发电位线性叠加在与之相互独立的背景脑电活动中,对 single trial 进行叠加平均,得到与触发事件锁时锁相

8、的诱发响应,即 ERP;(C)ERP 的相位重排模型认为,并不存在一个外加的诱发响应电位,ERP 产生于背景脑电节律振荡的相位重排,相位重排使脑电振荡信号与触发事件形成锁时锁相的关系,对 single trial 进行叠加平均,即得 ERP。2 相位重排模型 当非线性振荡系统受到扰动时(例如受到刺激时),各子系统时常发生非线性共振,导致相位重排。相位重排现象在生物系统中很常见,例如心脏室颤及电击除颤的过程就是典型的相位重排的过程。在 ERP 的相位重排理论中,ERP 被认为是触发事件和脑电节律振荡之间发生非线性相互作用的结果。相比于传统的诱发模型,相位重排模型是近年研究的热点,也是本文综述的重

9、点。本部分首先介绍相关的实验研究,再针对这些研究提出的证据进行评述。2.1 代表性研究 支持 ERP 相位重排机制的研究以 Makeig 等(2002)的实验最有代表性。Makeig 作为开放性脑电分析软件 EEGLAB(Delorme&Makeig,2004)的主要开发者之一,利用先进的时频分析技术对EEG/ERP 的各种信号特征进行分析。实验采用视觉选择性注意范式,主要得到以下结果：1)经过叠加平均提取出的 ERP 与 single trial 具有相似的频谱特性,暗示 ERP 与 EEG 的神经机制相关;2)计算上述两种信号的时频能量分布,发现当 ERP 能量在 alpha 频段(10

10、Hz 左右)显著增加时,single trial 在 alpha 频段的能量改变并不明显。这一结果说明可能并不存在一个所谓的独立“诱发电位”线性地附加在背景脑电振荡信号之上,否则脑电能量会在事件发生后出现短暂的升高;3)分析 single trial 之间的相位同步性,发现 alpha 节律的脑电振第 4 期 张丹丹等:ERP 的神经机制：诱发模型还是相位重排模型 489 荡在触发事件之后200 ms左右发生明显的相位对齐(时间上对应于 ERP 的 N1 成分),从数学上证明该时期脑电节律振荡发生了相位重排;4)对所有的 single trial,按照 0300 ms 时间段的 alpha 频

11、段能量进行排序(0 ms 为视觉刺激出现时刻),则能量最大的 1000 个 single trial 经过叠加平均得到明显的 N1 成分(N1 峰值大于 10 V),而能量最小的1000个 single trial的叠加平均结果则几乎没有 N1(N1 峰值小于 1 V)。如果 ERP 的神经机制为诱发模型,即一个波形固定、独立于背景脑电振荡的电位叠加在所有的 single trial 中,则采用不同的 single trial 子集进行叠加平均,所提取的 ERP应大致相同。该实验结果说明,ERP 的 N1 成分可能是脑电 alpha 节律振荡通过部分相位重排产生的。Penny 等(2002)高

12、度评价了 Makeig 等研究的意义,称该研究从完全不同于常规方法的角度,得到了 ERP 相位重排模型的有力证据,进而可能改变我们对感知觉及认知过程脑机制的理解。近年来一个跨国合作组对 ERP 的相位重排机制进行了较深入地研究,其主要成员包括澳大利亚的 Sauseng,Klimesch 和 Gruber,以及德国的Hanslmayr。Hanslmayr 等(2007)研究了视觉特征辨别任务下的 ERP,主要结果为：1)alpha 频带(910 Hz)和 delta 频带(24 Hz)在刺激发生后120ms 左右发生了相位对齐,即与刺激发生前的随机相位相比,single trial 之间的相位分

13、布明显偏离了均匀分布;2)通过叠加平均获得的 ERP 波形中,几个主要的正成分(P1、P2、P3)以及负成分(N1等)形成了一个类似于 alpha 节律的振荡,相邻 P波之间的距离约 100 ms,即振荡频率约 10 Hz。同时,ERP 时频分布图中存在 alpha 频带的能量峰。该结果说明 ERP 与背景脑电振荡的 alpha 节律具有相似的频谱特性;3)未发现脑电节律振荡(主要表现为 alpha 节律)在刺激后出现能量的增加,相反,结果显示 alpha 节律的能量在刺激出现后降低了;4)采用 LORETA(Pasqual-Marqui et al.,1994)溯源,发现触发事件发生前的脑电

14、 alpha 节律的源与 ERP 的源重合,提示二者在头皮上的波形可能由相同的神经元群产生。Hanslmayr 等在信号模拟实验以及上述真实实验结果的基础上得出结论,认为相位重排参与了 ERP 的生成,诱发模型不是唯一的 ERP 的神经机制。Klimesch 等(2004a,b)的研究除了证实上述 Makeig 等(2002)和 Hanslmayr 等(2007)提供的证据外,还提出了其他的 ERP 相位重排证据。在记忆任务中,Klimesch 等发现 ERP的 P1 成分的潜伏期与被试个体的 alpha 节律呈负相 关,即 个 体alpha频 率(individual alpha frequ

15、ency,IAF)越高,P1 的潜伏期越短(注：alpha节律谱峰在个体间存在差异,取值在 812 Hz 范围内呈正态分布)。该结果说明 ERP 的 P1 成分同背景脑电振荡的 alpha 节律密切相关,ERP 和脑电节律振荡不是两种独立的神经电活动。Mazaheri 和 Picton(2005)的研究从信号能量关系的角度为 ERP 的相位重排机制提供了重要证据。已知在视/听目标辨识任务中,存在明显的脑电 theta 节律的“事件相关同步化(event-related synchronization,ERS)”(注：ERS 即触发事件发生后背景脑电某节律电活动的能量增强,但不伴随single

16、trial 之 间 明 显 的 相 位 对 齐,ERS 由Pfurtscheller 于 1992 年提出)。如果 ERP 仅由诱发机制产生,则脑电能量可看作相互独立的诱发电位能量以及背景脑电节律振荡能量的线性加和。Mazaheri 和 Picton 发现,实验中 theta 节律在ERS 过程中表现出的能量增加在时间轴上对应于ERP 的 P300 成分。假设诱发模型成立,当将诱发电位的能量(即 ERP 的能量)从脑电总能量中(即single trial 的能量中)减去之后,剩下的 theta 频带的脑 电节 律 振荡 表现 为“事件 相关 去 同步 化(event-related desyn

17、chronization,ERD)”(注：ERD即触发事件发生后背景脑电某节律电活动的能量减弱,但不伴随 single trial 之间明显的相位对齐,ERD 由 Pfurtscheller 于 1977 年提出)。该相减运算的结果与实验观察到的 theta 节律 ERS 矛盾。这一现象提示,部分 theta 节律电活动受事件的触发而发生相位重排,形成 ERP 的 P300 成分。因此ERP 的能量和背景脑电节律振荡的能量不是线性相加的,二者能量的非线性关系提示相位重排机制的存在。此外,Luu 等(Luu&Tucker,2001;Luu et al.,2004)也通过研究 ERP 和脑电的能量

18、关系,证明错误相关负波(error-related negativity,ERN)产生于脑电 theta 节律的部分相位重排。在对 ERP 神经机制的研究中,不少研究者采用了“相位或幅度分类”的方法(phase/amplitude sorting)。所谓相位或幅度分类,是指在 ERP 出现之前,将 single trial 按相位、幅度或能量(能量即幅度的平方)进行排序,将排序后的 single trial 分490 心 理 科 学 进 展 第 19 卷 为若干子集,对比分析各子集的信号经过叠加平均提取出的 ERP。上述 Makeig 等(2002)的分析 4)即采用了能量分类的方法。典型的相

19、位或幅度分类的研究以Barry等(2000,2003,2004,2006,2007,2009b)的一系列实验为代表。研究者采用刺激间隔固定或随机的听觉 oddball 范式,让被试对目标刺激进行按键或不按键反应。实验研究 alpha 节律的背景脑电振荡在听觉刺激出现时的幅度或相位,与目标/非目标 ERP 的幅度或潜伏期等特性之间的关系。Barry 等发现,为使大脑以一个更佳的状态对刺激进行处理,脑电 alpha 节律在听觉刺激发生时进行了自身的动态调节。刺激发生时 alpha节律的幅度或相位不同,该动态调节的程度就不同,由此获得的 ERP 波形也发生相应的显著变化。该结果提示 ERP 与背景脑

20、电振荡之间存在重要的动态交互作用,二者不是相互独立的。研究结果否定诱发模型的假设,支持相位重排模型。其他的采用“相位分类”方法支持相位重排模型的研究还有 Brandt(1997);采用“幅度分类”方法的代表研究为 Jasiukaitis 和 Hakerem(1988),Price(1997),以及 Brandt 等(1991)。另外,ERP 相位重排机制的主要支持者 Basar 等(Basar et al.,1998;Karakas,Erzengin&Basar,2000)也采用类似于“能量分类”的方法对实验进行控制,证明在视觉及听觉刺激的触发下,刺激前脑电 theta 频带及delta 频带

21、的能量与 ERP 的幅度和频率特性密切相关。2.2 实验证据的小结与评述 综合 Sauseng-Klimesch-Gruber-Hanslmayr 研究组(Gruber et al.,2005;Hanslmayr et al.,2007;Klimesch et al.,2007;Sauseng et al.,2007)及 2.1 节所述其他研究者的观点,可将已有研究涉及到的ERP 相位重排模型的主要证据概括为七点(下文编号 E1-E7,E 表示 evidence),见表 1。表 1 相位重排模型的主要证据 编号 英文简述 中文表述 E1 phase concentration over tri

22、als 触发事件发生后,背景脑电振荡在单次刺激记录得到的电活动之间的相位分布更加集中,明显偏离均匀分布。E2 no power increase 触发事件发生后,背景脑电振荡的能量不增加。E3 phase/amplitude sorting ERP 出现之前的背景脑电振荡的相位或者幅度与 ERP 的信号特征密切相关。E4 similar frequency characteristics ERP 与背景脑电节律振荡具有相似的频谱特性。E5 non-linearity of post-stimulus power 某频带内的脑电总能量减去 ERP 能量,剩余的非锁相脑电能量与脑电总能量相比,表现

23、出明显不同的变化趋势。E6 dependency of ERP latency on IAF 个体脑电 alpha 频率与 ERP 的潜伏期呈负相关。E7 the same neural sources ERP 与脑电节律振荡的“神经源”相同或至少有重叠。理论上,满足 E1-E7 的实验结果为 ERP 相位重排模型的支持证据,不满足则为相位重排的反对证据。然而由于信号处理方法的局限性以及自身概念混淆等原因,不断有学者对上述证据提出质疑(Makeig et al.,2004a;Yeung et al.,2004;Mazaheri&Picton,2005;Min et al.,2007;Ritte

24、r&Becker,2009;)。现对七个证据的含义和质疑分述如下。E1 single trial 之间发生“锁时相位汇聚”,这正是相位重排模型的主要含义。但该证据仅仅是相位重排模型成立的必要条件,满足E1并不能排除诱发模型成立的可能。首先,将一个波形和潜伏期固定的“诱发电位”叠加到相位均匀分布的背景脑电振荡中,同样会引起 single trial 之间的相位汇聚。其次,确认相位分布在 single trial 之间是否具有集中趋势,通常采用 PLI(phase locking index,相位锁定值,由 Schack 和 Klimesch 于 2002 年提出)、ITC(inter-trial

25、 coherence,单次刺激信号之间的相干性,由 Tallon-Baudry 等于 1996 年提出)等指标分析 single trial 在特定频带内的瞬时相位,其中滤波是计算的必需环节。滤波的实质是采用窗函数对信号进行卷积运算(注：窗函数通常为时间跨度有限的、左右波形对称的平滑波形,如余弦窗、高 斯 窗 等,参 见http:/en.wikipedia.org/wiki/Window_function)。在诱发模型的理论框架下,背第 4 期 张丹丹等:ERP 的神经机制：诱发模型还是相位重排模型 491 景脑电振荡中线性叠加了一个波形固定的诱发电位,该诱发电位经过卷积运算后,自身的频率和波

26、形特性将被融入背景脑电信号,从而在背景脑电振荡中形成一个由窄带滤波引起的伪节律振荡(ringing artifacts of the narrow-band filtering)。由于各 single trial 均被叠加了相同的诱发电位,该伪节律振荡也会导致 single trial 间的相位汇聚。E2 如果 ERP 由背景脑电振荡的相位重排产生,并不存在一个独立的诱发电位叠加到脑电之上,则 ERP 的出现不会伴随脑电能量的增加。但 E2 的成立同样不能排除诱发模型存在的可能。首先,由于 ERP 的幅度通常比背景脑电振荡小很多,如果诱发电位叠加在背景脑电活动之上,由此引起的脑电能量增加未必能

27、用现有的信号处理方法检测到。其次,触发事件时常使背景脑电振荡发生 ERD,ERD 引起的脑电能量降低很可能掩盖外加诱发电位引起的脑电能量的微小上升。另外,如果实验结果不满足 E2(即发现脑电能量增加),也不能排除相位重排机制。首先,如果背景脑电振荡发生 ERS(例如前述 2005 年Mazaheri 和 Picton 研究中的脑电 theta 节律),即使实验结果显示脑电能量的明显增加,也不能证明 ERP 是诱发机制产生的,因为此时的脑电能量增加可能单纯地由 ERS 引起。其次,从原理上分析,相位重排的实质是大量神经元群发放的电信号之间的同步性增强,该过程必然伴随着相互连接的各神经元的树突输入

28、在一定时期内明显增强,从而引起宏观的神经电活动(即脑电)的能量增加。因此相位重排机制本身也可能引起脑电能量的增加(如 Shah等 2004年的实验结果所示,参见后文)。E1 与 E2 的结合是支持相位重排模型的常用证据,即相位汇聚的同时脑电能量不发生明显增加。例如 2.1 节所述 Makeig 等(2002)和 Hanslmayr等(2007)均采用了 E1+E2 的证据。又如 Rizzuto等(2003)发现工作记忆任务伴随 716 Hz 的颅内脑电信号的相位汇聚,同时未发现脑电能量增加,提示认知任务引起脑电节律的相位重排。然而如上所述,仅当背景脑电振荡确实不受触发事件影响时,E1+E2 才

29、能形成对相位重排模型的有力支持,然而已知脑电的 ERD/ERS 是普遍现象。E3 该证据认为,如果触发事件发生前的背景脑电振荡的相位、幅度或能量等特性对 ERP产生了影响,则 ERP 不能解释为独立于背景脑电振荡的诱发电位。通常证明这一结论的方法是,将所有 single trial 按照在 ERP 出现前的相位或者幅度进行排序、分组(phase/amplitude sorting),然后在每组中进行叠加平均求 ERP。例如,以背景脑电振荡在触发事件发生时刻的相位为分类标准,在正相位组和负相位组分别求 ERP,如果两个ERP 波形差异明显,则说明背景脑电振荡的相位对 ERP 有影响,即 ERP

30、不是独立于背景脑电的诱发电位。然而该证据在理论上存在自身的缺陷。将single trial 按触发时刻的相位进行分组,会破坏“背景脑电振荡的相位均匀分布”这一假设,在具有相似相位的 single trial 子集内进行叠加平均求ERP,方法本身会引入非零的电位成分,即“伪ERP”。每组产生的“伪 ERP”由于分组条件不同而不同。例如,正相位组得到的波形为正相位的伪ERP,负相位组则得到负相位的伪 ERP。即使 ERP由诱发模型产生,或者触发事件根本没有引发ERP,通过上述 phase/amplitude sorting 方法的处理,“伪 ERP”的组间差异仍然存在。加入控制组(即没有触发事件时

31、的脑电信号),用实验组结果减去控制组结果(减法原则),即可消除“分组伪迹(sorting artifact)”。Kruglikov 和 Schiff(2003)采用E3+控制组方法发现,ERP 的 P30 和 P50 成分确实在各相位组存在明显差异,说明刺激呈现时刻背景脑电振荡的相位对 ERP 有影响,ERP 与背景脑电不是独立的,即实验结果支持相位重排模型。与之相反,Risner 等(2009)却用此改进的 E3给出了支持诱发模型的证据(参见后文)。另外,正如上述对E1的讨论,滤波处理引发的伪迹也使 E3 对 ERP 神经机制的判断含混不清。滤波过程是一个时域卷积的模糊过程,它使信号的时间分

32、辨率降低。假如诱发模型是 ERP 的机制,即某独立的诱发电位叠加到背景脑电之上,经过滤波处理,背景脑电振荡的相位或幅度很可能在触发事件的发生时刻发生明显改变(虽然原理上诱发电位发生在触发时刻之后,但由于滤波的“时间轴模糊效应”,诱发电位会对触发时刻甚至触发事件发生前的脑电产生影响)。Yeung 等(2004,2007)通过模拟数据证明,即使 ERP 的产生符合诱发模型,窄带滤波的影响也会使数据分析的结果符合 E3。因此,即使加入控制组去除了“分组伪492 心 理 科 学 进 展 第 19 卷 迹”,也可能在不同 single trial 子集提取出的 ERP中出现由于滤波伪迹引起的差异。综上,

33、E3 容易得出相位重排模型的假阳性结论。E4 ERP 与背景脑电振荡具有相似的频谱是相位重排模型成立的必要条件。ERP 频谱的计算需先将single trial叠加平均得到ERP,再进行傅立叶变换,而背景脑电振荡的频谱计算则需先分别对 single trial 进行傅立叶变换,再将结果叠加平均。E4 的理论基础为：相位重排过程不改变信号的频谱分布。然而,如果线性叠加在背景脑电振荡之上的诱发电位自身具有与背景脑电相似的频率特征,则同样可使实验结果满足 E4。因此该证据不能严格排除诱发模型的可能。E5 诱发模型假设独立的诱发电位线性叠加到脑电振荡信号之上,因此用 single trial(即总的脑

34、电振荡信号)的幅度或能量减去诱发电位(即叠加平均提取的 ERP)的相应值能得到“纯背景脑电振荡”的幅度或能量。E5 的理论基础为：如果相减后的结果与相减前总的脑电振荡幅度或能量相比存在明显的减小趋势,则说明 ERP 对独立于背景脑电的诱发电位做出了过高的估计,即 ERP波形中实际上含有背景脑电振荡的成分。例如 2.1节中提到的 Mazaheri 和 Picton(2005)的研究结果表明,当从脑电总能量中减去 ERP 的能量之后,theta节律即由 ERS变为了 ERD,这说明该实验提取的 ERP 含有背景脑电振荡的 theta 节律成分。实验结果满足 E5 说明 ERP 至少部分地来源于脑电

35、活动的非线性机制,而背景脑电振荡的相位重排则是最有可能的非线性机制之一。E6 该证据由 Klimesch 等(2004a,b)提出。由于脑电节律具有个体差异(例如有的个体 alpha谱峰在 12 Hz 左右,而有的个体为 8 Hz 左右),如果 ERP 由背景脑电振荡发生相位重排产生,则触发事件发生后,高频的 alpha 振荡进行相位重排、达到各 single trial 间相位同步的时间比低频的alpha 振荡所需的时间短。因此,具有较高频 alpha节律的个体其 ERP 的潜伏期应比具有低频节律的个体的 ERP 的潜伏期短。然而该证据仍不能严格排除诱发模型。实验结果满足 E6 还可有其他解

36、释,例如具有高频alpha 节律的个体的觉醒程度更高或者神经传导的时间更短,因此触发事件引起的诱发响应电位具有更短的潜伏期。E7 该证据认为,如果相位重排模型成立,则产生 ERP 的皮层区域或神经核团需要与产生背景脑电振荡的相应神经元集合具有交集。目前看来,严格证明实验结果满足E7是方法学上不可能的。脑电信号受到生物组织容积导体效应的影响,空间分辨率较低(脑电为脑脊液、脑膜、颅骨和头皮低通滤波的结果)。采用各种脑电溯源分析方法以期找到脑电信号(包括 ERP 信号)精确的“神经源”在技术上是不可能实现的。在不少研究中,E7还常被弱化为“ERP 的头皮能量分布与 single trial的头皮能量

37、分布相似”,进一步降低了脑电源分析的空间分辨率。E7 的最终证明只能依赖于神经元或神经元群尺度的神经电生理实验技术,例如单神经元放电记录。综上所述,相位重排机制的七个支持证据均存在方法学上的不足或理论上的欠缺。满足E1-E7并不保证“相位重排模型(而非诱发模型)是 ERP的机制”;同样,不满足 E1-E7 也不说明 ERP 完全由诱发机制产生。其中,窄带滤波引入的伪迹是上述证据在两种模型间产生混淆的主要原因之一,滤波很可能造成外加的诱发电位波形畸变(使之更像脑电节律振荡),因此滤波后很难从本质上将脑电的“节律振荡”和独立于脑电振荡的“诱发电位”区分开。由于背景脑电振荡在相位重排过程中产生的幅度

38、和相位变化,与诱发电位经窄带滤波处理后的信号特征非常相似,上述大部分用于支持相位重排的证据也可在诱发模型的假设下获得。3 诱发模型 ERP 的诱发模型理论提出较早,已为大部分研究者所接受,因此相对于支持相位重排模型的研究,近年报道的支持 ERP 诱发模型的实验研究不是太多。本部分主要介绍诱发模型的代表性研究以及不同学者的观点。Arieli 等在 1996 年 Science 上发表的实验结果是诱发模型的最有力证据之一。该研究结合光学成像(反映局部细胞膜电位的变化)和微电极技术(记录局部场电位以及单细胞放电)研究成年猫的视皮层(17、18 区)在移动光栅视觉刺激下的反应。结果表明,刺激引发的 E

39、RP 波形与刺激出现时刻神经元的初始状态密切相关：初始状态的电位偏低,则 ERP 幅度偏低;初始状态电位高,则第 4 期 张丹丹等:ERP 的神经机制：诱发模型还是相位重排模型 493 ERP 幅度高。用初始状态的电位加上 single trial叠加平均后得到的 ERP 幅度,恰好等于实际观察到的 single trial 对刺激的反应。这说明视觉刺激引起的 ERP 由两部分线性组合而成,一为视觉刺激诱发的诱发电位(确定性成分),二为动态变化的背景脑电振荡(不确定成分)。因此,Arieli 等将视觉刺激对神经电活动的影响形象地比喻为“向波涛汹涌的大海中扔了一块石头所溅起的小涟漪”,其中大海指

40、背景脑电振荡,小涟漪指诱发电位,而总的神经电活动(即 single trial 信号)则是大海波涛和小涟漪线性叠加的结果。该实验首次为ERP 的诱发模型提供了定量化的证据,Ferster(1996)在同期的 Science 上发表评论文章,高度评价了 Arieli 等的工作,称该研究提出的 ERP 与背景脑电振荡的关系问题,将会引发更多的有关脑机制的基础性研究(目前看来,事实的确如此)。另一个采用微观电生理记录方法获得诱发模型的支持性证据的研究来自 Shah 等(2004)。该研究在视觉 oddball 辨识范式下,记录了猴子初级视皮层(V1 和 IT)的局部场电位以及多细胞放电序列(mult

41、iunit activity)的变化。实验结果显示,1)刺激发生前,初级视皮层的脑电节律振荡的幅度大大小于刺激发生后的 ERP 幅度,即刺激之前不存在一个足够大的背景脑电节律振荡,提示 ERP 不太可能由脑电振荡的相位重排产生;2)在 V1 和 IT两个区域的局部场电位主频中,虽然能检测到伴随刺激出现的明显的 single trial 之间的相位汇聚,但同时发生了能量的显著增高。这一结果提示,相位汇聚可能由某诱发电位线性叠加到背景脑电振荡中引起。因此该实验支持 ERP 的诱发模型机制。Mazaheri 和 Picton(2005)对该研究持肯定态度,认为 Shah 等的实验结果为诱发模型提供了

42、强有力的证据(尽管 Mazaheri 和 Picton 自身得到的实验结论支持相位重排,参见 2.1 节)。然而Sauseng 等(2007)却对 Shah 等的研究提出了不同意见：首先,如 2.2 节对 E2 的评论所述,刺激出现后脑电能量的增加并不能作为排除相位重排模型的证据;其次,研究已证明人类视觉诱发电位的 P1-N1 复 合波产生于 纹外皮层(extrastriate cortical areas),而 Shah 等的实验仅涉及到初级视皮层,因此并不能排除在视觉信息处理的较高级区域(例如纹外皮层等),ERP 的神经机制符合相位重排模型。尽管评价有肯有否,上述两项采用微观电生理技术的研

43、究为诱发模型提供了较确凿的实验证据。然而也有一些研究受到了学者们一致性的质疑,其中以 Risner 等于 2009 年在 NeuroImage 上发表的论文为代表。该研究要求被试闭眼接受闪光刺激,作者认为闭眼可使脑电 alpha 节律的幅度最大化,同时可大大减小眼动干扰。该研究采用“相位分类(phase sorting)”的方法对采集到的ERP 数据进行分析。结果表明各 single trial 子集提取出的 ERP 相似。实验同时采集了控制组(无闪光刺激)的同样数量的 single trial,用以排除相位分类所带来的“伪 ERP”效应。由此作者认为,背景脑电 alpha 节律的相位对 ER

44、P 的波形没有影响,ERP 的产生机制独立于背景脑电振荡,因此实验结果支持诱发模型。Klimesch 等(2009)于该研究发表 4个月后在 NeuroImage 期刊中提出了反对看法。ERP 相位重排模型的核心假设为：任务相关脑电振荡(task relevant oscillation)发生相位重排,相位重排的目的是提高神经系统对外部刺激或认知任务的处理能力。因此,脑电节律振荡为“任务相关脑电节律”是考察 ERP 相位重排神经机制的前提。Risner 等要求被试闭目被动接受闪光刺激,因此该研究未检测到相位重排证据(即 E3)的可能原因是脑电 alpha 节律与任务无关,闪光刺激并未在 alp

45、ha 节律中诱发出相位重排现象。Ritter 和Becker(2009)也在同一期 NeuroImage 中对此研究的结论提出了质疑。相位重排模型按照重排过程可分为两个亚模型,即“瞬时”重排(instantaneous phase reset)和“非 瞬 时”重 排(non-instantaneous phase reset)。其中,瞬时重排指 single trial 的相位在触发事件之后的某个时刻发生即刻跳变,如图1(C)所示,该模型暗示背景脑电振荡信号的相位在触发事件发生前和发生后不相关。而非瞬时相位重排指各 single trial 的相位逐渐调整到一个相对集中的范围。Ritter 和

46、 Becker 认为,采用“相位分类”方法检测 ERP 的组间差异,需首先假定ERP 由非瞬时相位重排机制产生,因为只有在该模型中,触发事件之前的脑电振荡的相位才会对触发之后的脑电相位产生影响,即相位重排的时间随触发时刻脑电振荡的初始相位不同而不同。如果“相位分类”未能检测到触发事件前后脑电振荡的相位依赖关系(正如 Risner等 2009年的研究),此时仅能排除非瞬时相位重排机制,但 ERP 仍有494 心 理 科 学 进 展 第 19 卷 可能产生于瞬时相位重排机制。4 混合模型 相互排斥的两种 ERP 模型各有其支持性的实验结果,这使有关 ERP 神经机制的争论持续不已。随着研究的深入,

47、融合这两种理论的混合模型的支持者逐渐增多(Kruglikov&Schiff,2003;Shah et al.,2004;Dzel et al.,2005;Mazaheri&Picton,2005;Becker et al.,2008)。在混合模型的框架下,目前许多实验结果都能得到很好的解释。该模型认为,ERP 的产生不能仅用诱发机制或相位重排机制解释,在不同的物理刺激和认知任务下,大脑皮层各区域所产生的 ERP 的各成分可能来自诱发机制也可能来自相位重排机制,甚至来自二者共同的贡献。Min 等(2007)在视觉辨识任务下获得了支持混合模型的证据。实验根据触发事件发生前的脑电 alpha 频带能

48、量,将被试分为三组(alpha 能量为高、中、低水平)。脑电背景振荡为中、高 alpha能量的被试在视觉刺激呈现时 alpha 节律出现明显 ERD,且 ERD 在时间上恰好对应于 ERP 的alpha 波段能量峰,该结果符合相位重排机制的假设。然而,低 alpha 能量水平的被试在整个实验过程中的 alpha 能量始终处于较低水平,并伴随着微弱的 ERS,同时 ERP 的 alpha 波段能量峰恰好对应于脑电 alpha 节律发生微弱 ERS 的时段,该结果更符合诱发模型的假设(因为单纯的相位重排不引起脑电总能量在 alpha 波段的 ERS)。因此作者认为,由于被试在触发事件发生前的脑电节

49、律振荡的能量水平不同,其 ERP 的神经机制可能不同,该实验说明了至少在 alpha 频段内存在两种 ERP 生成机制。ERP的神经机制不仅受到个体脑电特性的影响,还可因刺激信号的出现时刻不同而发生改变。Fuentemilla 等(2006)采用连续短纯音引发听觉诱发电位的 N1。已知在一串短纯音引发的 ERP中,第一个短纯音引发的 N1 幅度最大,后续短纯音引发的 N1 较小。作者利用这一现象,对 N1 的幅度进行调制。发现第一个刺激引发的 N1 伴随着同步的脑电能量增加以及相位对齐,而第二个和第三个刺激引发的 N1 仅伴随相位对齐,没有明显的脑电能量增加。由此 Fuentemilla 等认

50、为,第一个刺激引发的 N1 是诱发机制产生的,而后两个刺激引发的 N1 则更可能是相位重排机制产生的。Fell 等 2004 年的研究结果也支持混合模型。实验采用置于海马和鼻皮层(rhinal cortex)的颅内电极记录视觉 oddball 范式及词语辨识范式下的脑电信号。结果表明 P300 出现时刻,背景脑电振荡同时发生了相位汇集和能量增强,而 N400 则仅伴随背景脑电的相位汇集。该研究提示诱发和相位重排两种机制可能均参与了 ERP 晚成分的生成：诱发模型更符合 P300 的信号特征,而相位重排模型则很可能是 N400 的神经机制。值得一提的是,一些原本偏向相位重排模型的学者,通过深入研