基于背景脑电频率调制的事件相关电位相位重置效应研究

摘要

事件相关电位（event related potential, ERP）感觉、认知活动密切相关，是感知神经通路与大脑皮层各功能区对外界感官刺激与内在认知思维的综合反映，含有丰富的神经生理学、脑认知与心理学信息，被誉为“观察大脑思维的窗口”，有重要的科研与实用价值。ERP的主要优势是具有良好的时间分辨率。但其单次刺激诱发的信号幅值极其微弱，往往淹没在背景脑电（electroencephalogram, EEG）之中，难以通过直接检测方法得到。这就导致了ERP虽然自发现以来已被广泛应用于脑功能等相关研究，但其产生神经机制却一直存在巨大争议，无法厘清。
　　有关 ERP产生机制至今有两种假设：诱发模型和相位重置模型。传统研究方法尝试基于静息态EEG信号，对其进行分组以寻找区分两种模型的证据，但多引入难解的“分组伪迹”问题。考虑到ERP的产生是离不开背景EEG的，本文利用稳态视觉诱发范式将背景EEG调制成有规律的信号，一方面可以提高信噪比，另一方面通过频率调制刺激前背景EEG的状态，以避免人为分组方法引入伪迹。另外，在特征提取方面，利用希尔伯特变换提取时域瞬时相位特征，以避免窄带滤波引入的伪迹，增强支持模型的证据可靠性。
　　本文经实验方案优化，采用了6种不同的实验诱发范式调制背景 EEG，并采用3种强度的瞬态刺激来诱发ERP。研究中共采集了8名被试的EEG数据，通过相干平均技术提取了时域特征，分析结果表明，P1时间窗内，背景EEG在受到瞬态刺激时发生了相位调制，并随实验范式不同而不同，且EEG初始相位与N1成分的潜伏期相关。接着，采用希尔伯特变换提取了时域瞬时相位特征，并对相位分布特征作了Rayleigh检验。分析结果表明，低刺激强度N1时间窗内，范式1010比范式1001更早呈现显著相位集中分布，且集中分布的时间窗更宽。这与初始相位差异导致的N1成分潜伏期差异是一致的。最后，采用短时傅里叶变换提取了时频特征事件相关谱扰动和事件内在相干指数，并采用双因素方差分析作了主效应分析。分析结果表明，低刺激强度时N1成分的生成更倾向于相位重置模型，而高刺激强度时N1成分的生成更倾向于诱发模型。
　　本文通过分析不同实验范式、不同刺激强度瞬态刺激诱发 ERP的差异，发现低刺激强度时背景EEG的初始相位与P1、N1成分的潜伏期有很强关联性，且对相应时间窗内能量和相位的变化也有显著影响。文中研究成果有助于更深刻地认识ERP的产生机制以及整合ERP和背景EEG节律研究成果。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1事件相关电位的研究背景

1.2 事件相关电位神经机制假设研究简介

1.3 ERP神经机制研究现状

1.4 本文研究内容与意义

1.5 主要研究内容及章节安排

第二章 背景EEG频率调制字母ERP刺激实验研究

2.1 背景脑电简介

2.2 实验方案设计与信号采集

2.3 数据预处理

2.4 事件相关电位提取

2.5 本章小结

第三章 初始相位调制颜色ERP刺激实验研究

3.1 实验方案设计

3.2 ERP时域波形分析

3.3 本章小结

第四章 强度调制ERP刺激实验研究

4.1 实验方案设计

4.2 ERP时域波形分析

4.3 时域相位特征分析

4.4 基于时频分析的能量和相位特征分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢