一、ERP概述

ERP(event-related potentials)即事件相關(guān)電位，是一項無損傷性腦認知成像技術(shù)，其電位變化是人類身體或心理活動有時間相關(guān)的腦電活動，在頭皮表面記錄到并以信號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”，提供了一個更為客觀且簡便可行的方法，具體來說是指當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，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，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的早期成分與認知活動也有一定的密切關(guān)系，如聽覺P50、視覺C1和P1等，因此，在認知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，尤其是認知活動通道特異性的研究。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的神經(jīng)結(jié)構(gòu)較近)；一般要求被試實驗時在一定程度上參與實驗；刺激的性質(zhì)、內(nèi)容和編排多樣，目的是啟動被試認知過程的參與；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知過程的大腦神經(jīng)系統(tǒng)活動機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)和光學成像等。與計算機斷層顯像技術(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體功能的信息。

關(guān)于fMIR的成像原理，目前，一般認為fMRI應包括：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)局部功能活動變化進行MR成像的一種腦功能影像學檢查手段，去氧血紅蛋白的磁敏感性是BOLD的成像基礎。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動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)相位不一致運動現(xiàn)象進行灌注成像，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效應基礎之上，利用人體內(nèi)不同情況下水分子擴散程度的不同所造成的信號改變進行磁共振成像。研究證明水分子具有隨機自由運動的特性，即所謂布朗運動(也稱熱運動、彌散運動、擴散運動)，這種運動在空間任意方向上都有運動軌跡，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動不同所造成的信號改變進行成像的，它是一項顯示組織內(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)象和化學位移作用，進行系列特定原子核及其他化合物定量分析的方法，于1973年首次應用于醫(yī)學領(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行定量分析。

三、ERP技術(shù)和fMRI技術(shù)的結(jié)合應用

目前，ERP和fMRI的研究已經(jīng)深入到心理學、生理學、醫(yī)學、神經(jīng)科學、人工智能等多個領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了許多與認知活動過程密切相關(guān)的成分。例如：Sutton等在識別不同聲調(diào)時記錄到一個潛伏期約300ms的正波(P300)，大量研究結(jié)果表明P300是與注意、辨認、決策、記憶等認知功能有關(guān)的ERP成分，現(xiàn)在己廣泛應用于心理學、醫(yī)學、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波(mismatchnegativity，MMN)和加工負波(processing negativity，PN)，并提出了注意的腦機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知加工過程的N400，圍繞N400的一系列研究，促進了對人腦語言加工腦機制的認識，而且，N400的發(fā)現(xiàn)不僅在于使ERP增加了一個具有特定意義的成分，擴大了ERP的研究范圍，重要的是將ERP成功地運用到了語言心理學，給語言心理學注入了新的活力，使探討語言加工的腦機制成為可能。fMRI不僅實現(xiàn)了對視覺運動加工區(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，手部運動的功能活動區(qū)在對側(cè)中央溝周圍皮層，是個較為局限的區(qū)域。主要為第一皮層功能區(qū)(SM1)和輔助運動區(qū)(SMA)、運動前區(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，同時每隔2—5秒，受試者會得到視覺或聽覺的暗示。詞語生成時可引起補充運動區(qū)、扣帶前回、左側(cè)運動前區(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，生成動詞和生成名詞時無顯著性差異。記憶是人類認知和適應日常生活的基礎，應用fMRI對記憶機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方面：大腦發(fā)育的研究和術(shù)前感覺運動及認知區(qū)域定位的研究。fMRI己越來越多地應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，它也開始用于預測異常腦組織生長后的功能障礙，如認知障礙、失語癥、運動障礙，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，而是大腦對刺激帶來的信息引起的反應，反映的是認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間分辨率，是研究認知過程中大腦活動的不可多得的技術(shù)方法。

fMRI是通過測定磁共振信號變化來反映血氧飽和度及血流量，而不是直接顯示神經(jīng)細胞的功能活動，所以在臨床工作中特別是在腦腫瘤患者中fMRI的敏感度會下降，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、運動皮層的敏感性減低或不能顯示；二是由于占位效應的影響，腫瘤及其周圍壓力增大，小靜脈受壓，使功能活動區(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信號降低，從而削弱了fMRI對功能活動區(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。它對腦表面和深部的活動均能顯示，對合作良好者具有很高的敏感性。

在分別做ERP和fMIR實驗的時候，我們知道做兩次實驗所產(chǎn)生的額外變量要大于在一次實驗當中的，所以誤差也會變大，因為實驗的任務，不同的準備時間，實驗環(huán)境等都會影響被試實驗的時候的腦波的變化，即使在一個定義好的認知實驗中同一個被試在同一個任務下也會可能有不同的表現(xiàn)，在兩種技術(shù)分別實驗的時候.多個激活腦區(qū)在頭皮上的獨立映射可以稱為觀測峰值的獨立成分或子成分，而每個激活腦區(qū)稱為獨立源。獨立成分分析(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產(chǎn)生統(tǒng)計上獨立的信號。頭皮所記錄到的EEG是來自多個源的信號的總和，ICA可以計算出統(tǒng)計上獨立的可能由不同生理過程產(chǎn)生的單個信號。作為20世紀90年代發(fā)展起來的一項信號處理方法(Comon，1994)，ICA的基本含義是把信號分解成若干個相互獨立的成分。目前，ICA被認為是處理生理信號的首選方法。進來我們在動機行為實驗中運用了一個實驗接著一個實驗的ERP技術(shù)來作為變量預測BOLD的反應.運用ERP的單個變量提取的方法來測BOLD信號在腦的特定的部位是行為管理研究的一個關(guān)鍵。

正是由于兩種技術(shù)具有各自的優(yōu)點和巨大的應用價值，而為了更好揭開人類大腦這個黑箱子的秘密，迫使兩者結(jié)合使用的方法已經(jīng)提上日程，當前正是研究的熱點問題，ERP和fMRI已經(jīng)在科學、臨床等領(lǐng)域取得了很多成果，當前新的發(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信息。隨著該技術(shù)的不斷完善，兩種高時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知(如學習、記憶)與思維活動等復雜、診治腦部疾病的一種有力工具，也將帶來腦科學研究的又一個朝氣的春天。