事件相關電位及其應用

劉笑雨

摘 要：事件相關電位是諸多腦電信號的一種，反映了人從接受刺激到初級認知加工過程的大腦處理能力。其突出特點是在小概率事件（刺激）出現(xiàn)后的固定潛伏期人的大腦皮層會出現(xiàn)相應波峰。該信號在臨床和實際應用中的都有著巨大價值。本文著重介紹事件相關電位本身的特點以及其在臨床和腦機接口中的應用。

關鍵詞：事件相關電位;P300;初級認知;腦機接口

中圖分類號：R331 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0201-02

科學地認識與研究大腦對于人類健康的發(fā)展以及對自身的認識都有著至關重要的作用。但是考慮到大腦在人體位置的特殊性（顱骨下方），直接研究大腦本身的機理在當前階段并不可取，如何從外部不侵入或較少侵入地對大腦進行觀察、記錄已經成為當前腦科學的重要議題。

眾所周知，大腦思考、控制身體其他部位等一系列活動的直觀表現(xiàn)是興奮的產生與傳遞，物理上而言這種興奮是依靠生物電信號進行傳播的。腦電就是一種大腦皮層產生的電信號活動，該信號反映了人的大腦皮層不同部位的活躍程度。該電信號可以通過電極內置式、外置式進行采集，因此在當前是一種比較理想的用于腦科學的研究對象。

根據(jù)是否有外界刺激，腦電信號可以分為內源性信號與誘發(fā)信號。其中，誘發(fā)電位，又稱誘發(fā)反應，是指對實驗對象施加一個刺激，所引起的人腦的微弱電變化。事件相關電位（ERP，event-related potential）是一種特殊的誘發(fā)電位，已經在很多研究與具體工程中得到了應用。本文聚焦于事件相關電位，將對其特點、應用原理展開具體介紹。

1 事件相關電位

事件相關電位（ERP，event-related potential）是指人在受到刺激后，大腦皮層對刺激做出響應并產生的一種電信號，屬于近場電位（也有一種觀點是事件相關電位等于近場電位），能反應認知過程中大腦的神經電生理改變。在具體的在認知加工過程中，我們可以通過平均疊加方法從頭顱表面記錄到該電位，故該信號又稱認知電位。一般來講事件相關電位包括P1、N1、P2、N2和P300五種成分。其中，P300信號反映了大腦對信息的初步認知加工，是一種復合波形，可分為P3a、P3b和隨后的一個慢波共三個分量。此外，MMN、CNV、N400等也可包括在事件相關電位這個大家族中[1]。

事件相關電位主要有以下特點[2]：（1）ERP并不是散布于大腦各個區(qū)域，一般分布于比較集中和特定的區(qū)域;（2）ERP的波形彼此差異性不大;（3）ERP波形的潛伏期與刺激之間有較嚴格的鎖時關系（即往往會在刺激出現(xiàn)后的固定時間段出現(xiàn)響應），但具體關系會受多種因素影響而發(fā)生變化。

P300是事件相關電位的一種，因潛伏期時長為300ms左右而得名，也稱P3。該信號分為P3a、P3b兩個亞組。P3a是P300電位中的一種早期亞組成分，于較短潛伏期（220～280ms）出現(xiàn)，又稱早期P300（P300E）。與之相對，P3b的潛伏期要長些（310～380ms），又叫晚期P300（P300L）[3]?？傊?，P300可以理解為在受到刺激后300ms左右在大腦皮層產生的一種應激電位。P300及其亞成分反映了與知覺及記憶等認知過程有關的生理心理功能，可由兩個以上的刺激組成的刺激序列或刺激泛型引出。通常，研究P300信號采用雙刺激實驗的方法，具體操作為：給予受試者間隔1～3s的一系列靶刺激和非靶刺激，并要求受試者對靶刺激做出反應。其中，靶刺激出現(xiàn)的概率應低于30%，非靶刺激出現(xiàn)的概率與靶刺激出現(xiàn)的概率互補。給予刺激后，大腦首先產生與認知功能相關的P3a，緊接著出現(xiàn)與感覺和運動功能相關的P3b。

2 事件相關電位應用

根據(jù)前人研究結果，可得知：事件相關電位可以反映人從接受刺激到初級認知加工的過程。目前，P300是事件相關電位中最典型，應用最廣的成分，接下來，筆者將從科學研究與工程應用兩個部分，對事件相關電位的應用進行具體展開和詳細介紹。

2.1 臨床應用

2.1.1 阿爾茲海默?。?Alzheimers disease，AD）

人們利用事件相關電位在阿爾茨海默病的研究領域取得了比較豐碩的成果，實際上現(xiàn)在國際上公認AD患者事件相關電位的潛伏期會隨病情加重而明顯延長。同時AD患者腦部海馬形態(tài)、體積也隨之變化，事實上醫(yī)學上已經嘗試使用事件相關電位評測與磁共振波譜檢測相結合的方法對阿爾茲海默癥進行診斷。深圳市羅湖區(qū)人民醫(yī)院神經內科的張明之等人[5]，將2015.01—2016.01間收治的60例AD患者（輕度癡呆30例，中度癡呆18例，重度癡呆12例）作為研究對象，實施核磁波譜分析及聽覺事件相關誘發(fā)電位檢查，發(fā)現(xiàn)阿爾茲海默癥的嚴重程度與事件相關電位潛伏期有著較為明顯的負相關性。該研究表明事件相關電位或可為阿爾茲海默癥的診斷提供支持。

另一方面，事件相關電位技術的應用為針灸治療癡呆的療效評價供了客觀指標。賀丹等[6]使用P300機器相關指標為依據(jù)對接收針灸治療的癡呆患者進行效果評估，治療前后結果對比顯示向百會穴注射腦復活因子的治療有效率為78.3%。

2.1.2 精神分裂

精神分裂癥的主要癥狀為情感障礙、記憶力缺陷、認知功能損害等，P300能準確反映精神分裂癥患者的認知能力。相關研究表明：精神分裂癥的病理核心是注意力渙散，存在P3a、P3b 潛伏期延長的現(xiàn)象[7]。

目前，P300電位已被應用于研究精神分裂癥患者的認知情況。青海省第三人民醫(yī)院在一項研究中，通過測量、分析30例首發(fā)精神分裂癥患者治療前后的P300電位，發(fā)現(xiàn)30例患者經過4周足量利培酮治療后，患者的認知功能有所提高，精神狀態(tài)明顯改善，而同時P300潛伏期明顯縮短，且波幅增大[8]。

2.1.3 腦外傷

P300信號可用于研究腦外傷造成的認知功能損害。寇振芬[9]等的研究表明：腦外傷導致的精神障礙患者相對于健康者，其p300信號潛伏期明顯延長，且波幅減小。國外學者研究發(fā)現(xiàn)[10]：嚴重腦外傷患者在亞急性期（2月）P300潛伏期相差顯著，在4.5個月后隨著患者逐漸恢復，與正常人的P300信號的差距雖然仍存在，但失去了統(tǒng)計學上的有效性。而Sharova等[11]發(fā)現(xiàn)嚴重受損傷的患者（尤其是對外界刺激無法做出及時反應的）其事件相關電位會出現(xiàn)明顯的異常。

2.2 腦機接口

腦機接口是近些年來得到飛速發(fā)展的一種人機交互技術，其基本構造為電極、信號處理單元和通信單元。經過特殊處理的電極在人的頭皮表面進行信息收集并將其傳輸給信號處理單元作必要的預處理（例如信號的放大、濾波等），進而講收集到的信號傳輸給計算機、嵌入式設備等進行相關運算。

腦機接口的概念早已有人提出，但直到近些年才有比較成熟的相關設備進入市場，其原因歸根結底在于腦電信號干擾量多，有用信號往往幅值很小，甚至淹沒在噪聲中。因此，選取可靠的、合適的腦電信號就成為了發(fā)展腦機接口技術的一大任務。

如前文所說，P300信號是穩(wěn)定發(fā)生在刺激產生后300ms左右的一種腦電信號，雖然其峰值較小，容易與噪聲、干擾相混淆，但我們可以通過平均疊加的形式對其進行相關處理，保留P300信號、濾去干擾。

接下來，筆者將舉三個已經進入實際應用環(huán)節(jié)的例子對腦機接口的應用加以展開。

2.2.1 文字輸入

通過事件相關電位進行文字輸入的基本原理為：電腦屏幕“偽隨機”地閃爍字符，如果用戶希望輸入某個字符（例如“A”），就會注視屏幕上該字符出現(xiàn)的位置，那么其他字符對于用戶而言就是“大概率”的，因此不會引發(fā)“響應”，而目標字符出現(xiàn)時，對于用戶而言“奇異事件”，或者說小概率事件，發(fā)生了，因此用戶的大腦皮層會產生相關的響應，也就是P300信號的產生。

如果我們能夠在用戶的腦電圖上發(fā)現(xiàn)P300波峰，并在波峰出現(xiàn)前約300ms處發(fā)現(xiàn)字符出現(xiàn)的“標記點”，那么我們可以認為該用戶希望輸入這個被標記的字符。因此，該技術的關鍵在于如何識別人的P300信號。

2.2.2 輪椅移動

與文字輸入類似，輪椅移動功能實現(xiàn)的關鍵在于如何識別波峰并前溯300ms定位刺激。例如，我們可以通過屏幕來顯示若干個移動信號，例如前、后、左、右和停止，這五個信號隨機閃爍，當我們希望輪椅向前移動時便注視前進信號，這時前進信號就成為了“靶信號”。如果系統(tǒng)在腦電信號中檢測出了事件相關電位，向前追溯300ms左右發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)出的前進信號，就可以認為用戶需要輪椅向前移動，系統(tǒng)便會向輪椅發(fā)出具體的控制信號。

2.2.3 刑偵測謊

P300電位可用于刑偵測謊，其基本原理為：向被測者展示一系列與案件相關（作為靶刺激）或無關（作為非靶刺激）的信息，被測者通過按下“yes”或“no”向測試人反饋他們是否熟識該信息或對該信息知情。若被測者對某個與案件相關的信息知情，可在其腦部檢測到一個波幅較大的p300信號，相反，若被測者不知情，則在其腦部檢測到的p300信號與展示無關信息時相似。

應用p300電位，可以較快速、準確地區(qū)分嫌疑人和無辜者。目前，p300測謊技術正在刑偵界迅速發(fā)展。

3 結語

P300信號作為一種反映人從接受刺激到初級認知加工過程的大腦處理能力的腦電信號，不僅在臨床上有著廣泛的應用，其在工業(yè)設計、具體產品開發(fā)上也有著較好的應用前景。我們希望在不遠的將來人類可以直接通過“想法”來進行有效信息的輸出，從這個角度而言，腦電信號有著深刻而長遠的作用。

當然我們也要注意到，腦電信號作為一種噪聲多、幅值小、易受干擾的生物信號，其本身是由很大的局限性的，因此與其他信號相結合或者多種腦電信號相結合，采用多模態(tài)的形式來加以利用或許是更加科學和嚴謹?shù)淖龇ā?/p>

參考文獻

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[9] 寇振芬.P300對顱腦外傷所致精神障礙的認知功能評價[J].中國神經精神疾病雜志，2006，32（5）：412-414.