P300事件相关电位知多少?
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P300事件相关电位知多少?
发布日期:2022-08-17 15:38    点击次数:196

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事件相关电位(Event Related Potential, ERP)是大脑对来自外界环境的特定的感觉、认知或运动事件等产生的心理反应的测量。

其中,P300属于ERP(事件相关电位)的一种,是一种内源性的、和认知功能相关的特殊诱发电位。P300 可以通过视觉、听觉和体感刺激进行诱发,可用于识别与人脑认知过程相关的神经活动。研究人员通过对P300 神经机制的深入研究,帮助人类进一步探索神经科学,形成更加完善的理论指导,可以开拓其在医学诊断、工程应用、神经科学方面的应用,对进一步认识人脑也具有重要意义。

P300历史

P300 诱发电位是Sutton 等研究者在1965 年首次观测到并命名的,P300电位属于事件相关电位,Sutton首次观测到P300 信号是在对被试者施加刺激后300毫秒左右产生的正波,故命名为为P300 信号[关于命名,下面还有专门介绍]。传统的 P300 信号可以在oddball试验范式下诱发出现。Oddball 经典范式诱发P300 电位需要对被试者施加刺激信号,其中一种为多数事件另一种为少数事件的偏差刺激。这种范式对被试者来说类似于巧合事件,为小概率事件,实验室受试者需要同时记录刺激个数,此时偏差刺激即为靶刺激信号偏差刺激可以使被试者触发事件相关电位,从而刺激产生P300。

[Oddball实验范式:

P300 电位的出现主要是通过 Oddball 的实验范式诱发。Oddball 范式是经典的ERP 实验范式之一。具体的实验范式描述可以表达为:一项实验中,随机呈现作用于同一感觉通道(听觉或者视觉)的两种刺激,被试想要关注的刺激为“靶刺激”(target stimuli); 而不想关注的刺激为“非靶刺激”(non target stimuli )。二者物理属性几乎没有区别,但是刺激出现的概率却有所不同。一般认为“靶刺激”的概率值很小也就意味着“靶刺激”由不常见或者不可预测的刺激诱发,但又和被试联系紧密(例如,突然增加目标的明暗度或者声音的分贝数)。一般概率在 15% 左右。而“非靶刺激”的概率在 85% 左右,为常见刺激。当靶刺激出现时,被试只需要心理做出相应的活动,而不必通过其他方式做出反应。”这就是传统意义上基于 oddball范式的ERP 实验。]

P300是在事件(如听觉、视觉刺激)发生后大约300ms出现的一个正向波(如下图所示),它是以delta(0.5-4Hz)脑波为主要贡献和theta(4-7.5Hz)脑波响应的融合。

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图片来源于:基于P300和SSVEP混合范式脑—机接口研究

那为什么叫 P300?

首先介绍一下事件相关电位-ERP,当外加某种特定的刺激于感觉系统或脑的某一部位,在给予/撤销刺激或者当某种心理因素出现时脑区所产生的电位变化就被叫做事件相关电位(ERP)。

不同的外界刺激方式和心理因素都会引起不同的ERP,一般可以从极性、潜伏期、分布的脑区等三个方面对ERP进行描述。而命名主要是参考极性和潜伏期。

极性也就是电位相对参考电压的正负值,命名正向波为P(positive),负向波为N(negative).

潜伏期即从施加/撤销刺激至波峰/波谷达到最高/低处的时间长度(以毫秒ms为单位)。

10ms以内为早成分;

10~50ms为中成分;

50~500ms为晚成分;

500ms以后为慢波。

所以常见的P300、N200等是根据极性和潜伏期进行命名的。如将潜伏期大约为300ms的正向波命名为P300,而N200则表示潜伏期大约为200ms的负向波。

注:虽然P300表示的是潜伏期大约在300ms也就是它常发生在相对于诱发刺激约300ms的潜伏期,但其潜伏期可能会有所不同,从250ms~800ms(有些地方是750ms)不等。其他类型的波也是如此,比如N200,它是在事件发生后180~325ms潜伏期的负向波。

P300特性

特性1:P300信号是EEG信号在靶刺激出现之后300ms左右产生的正向波;

特性2:波峰的偏移主要取决于刺激任务的难度;

特性3:幅值的高低主要取决于靶刺激概率的大小并与刺激出现的概率成反比。

特性4:P300电位是事件相关电位中不受物理特性(形状、大小、视觉、听觉等)刺激影响的内源性成分。

P300家族

1965年,随着Sutton等在研究ERP与刺激的不确定性关系时首次发现P300,并对其进行描述。之后许多研究者陆续发现与P300类似的成分,P300逐渐扩展成一个含有多种成分的,潜伏期为250~800ms,幅值为5~20

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的大家族。常见的成分包括P3a和P3b。

P3a是由未预料到的,具有足够强度的刺激突然出现而诱发的一个正向波,其最大的波幅出现在额叶,其主要有新异刺激诱发产生,因此被认为是朝向反映出现的标志。

P3b为最初发现的P300,对于被试对象具有偶然性的刺激可诱发此电位。

P300脑机接口刺激范式

基于P300的经典范式包括:

行列刺激范式(RCP);

单个显示刺激范式(single display paradigm,SDP);

棋盘格刺激范式(checkerboard paradigm,CBP);

基于区域的刺激范式(regionbased paradigm,RBP);

基于子矩阵的刺激范式(submatrix basedparadigm,SBP)

1.P300的经典范式

在基于P300的oddball刺激范式 BCI 系统研究中,最经典的应用是Farwell和Donchin在 1988年提出并设计的字符拼写器简称为P300 Speller。如下图所示,使用26个英文字母和 1-9个数字以及下划线排列成 6 x 6 的虚拟键盘矩阵。随机高亮字符矩阵的某一行或某一列,一次实验中6 x 6列均被高亮亮一次,一共12次高亮刺激。受试者必须将注意力集中在矩阵中的字符上,以此来选择组成单词的每个字母。当包括此字符的行或者包含此字符的列被高亮时(也就是oddball范式中的靶刺激),要求受试者对此做出反应,予以计数,会产生P300波形;当不包含此字符的行或者列加亮时,被试不做出反应,不予计数,不会产生P300波形,通过解析脑电信号中的P300时序位置,并对照刺激序列的时序, 蕾姆拉姆进而确定刺激的行列位置,从而确定出受试者注视的字符,达到根据思维打字的目的。为了有助于保持受试者的注意力,通常要求受试者对目标字符高亮的次数进行计数。值得注意的是重复高亮次数越多,识别准确率越好,但会增加拼写时间。再者每一个字符也可以代表着一个控制指令,从而可以实现36个控制指令。

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P300 Speller 打字界面(左图为一行高亮的界面图  右图为打字界面的行列编号),

图片来源于:基于P300的脑机接口指令识别 图2.5

比如要打字符“V”,12次刺激当中,理论上只有编号为10的行和编号为4的列加强才可以诱发出P300脑电波形图如图 2.6 所示。根据这个特性利用识别算法找到12次中2次的 P300波形,就可以确定一个字符。

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字符"V"的行和列高亮  图片来源于:基于P300的脑机接口指令识别 图2.5

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经典的行列刺激范式(RCP)

2.P300的SD范式

2004年,Guan等人首先提出单项显示(Single Display, SD)刺激范式,并将该范式应用到 P300字符拼写实验中,该系统的刺激界面如下图所示,36个字符,其中26个英文字符,10个阿拉伯数字字符,整个界面排列成6 x 6行列矩阵。每个字符随机的闪烁,与经典的刺激范式不同,不是按照行列闪烁,即当某个字符闪烁结束一段时间后,下一个字符才开始闪烁。完成一个字符输入,需要36次字符的闪烁。同样受试者需要默数字符的闪烁次数,这样为加强受试者的注意力。一个round包含36次的闪烁,即每个字符的输入需要一个round,目标字符出现的概率为1/36,这样在一次round之后,P300字符输入系统就可以确定受试者想要输入的目标字符。

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P300 SD范式 图片来源于:A Comparison of P300-speller Stimuli 

Presentation Paradigms for Brain-computer Interface

3.棋盘格刺激范式(checkerboard paradigm,CBP)

在CBP中,标准的8x9矩阵实际上是叠加在棋盘上的(下图a),而参与者实际上从未见过。将8x9矩阵的白色单元格中的项目分隔成白色的6x6矩阵,新闻中心将黑色单元格中的项目分隔成黑色的6x6矩阵。在每个闪烁序列之前,图a中的项目分别随机填充白色或黑色矩阵,如图b所示。虚拟棋盘布局控制邻接分散错误,因为相邻的项目不能包含在同一个flash组中。最终的结果是,由于图b所示的虚拟行和列,参与者看到6个项目组成的随机组在闪烁(与行和列相反)。例如,白色矩阵的第一行包括:2,Bs, Shift, H, Sp, EC。标准矩阵永远不变;只更改了闪烁项的模式。在一个序列中,白色矩阵中的6个虚拟行(图b)依次从上到下闪烁,黑色矩阵中的6个虚拟行依次闪烁。然后,白色矩阵中的6个虚拟列按从左到右的顺序闪烁,然后是黑色矩阵中的6个虚拟列。

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a.棋盘格刺激范式(checkerboard paradigm,CBP)

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b. 从棋盘派生的两个虚拟6 6矩阵

4.基于区域的刺激范式(regionbased paradigm,RBP)

这个范例的思想原理是让几个区域闪烁,而不是使用行和列。字符识别是在两个层次上进行的。在第一个层次,字符被放置在屏幕的不同部分的七个组,如下图所示。在Farwell-Donchin范例中,当一组字符随机增强时,用户被要求关注组中的特定字符。通过对P300的检测,经过多次增强后,可以发现包含目标字符的组。在第二层,被检测组的特征被分布到另外七个区域。例如,下图显示了在第二层中展开的一个区域。在第二层,与第一层所做的工作类似,不同的区域被强化,而受试者集中在其中一个区域。在对其中一个区域的P300进行检测之后,就可以识别出最终的目标字符。

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5.基于子矩阵的刺激范式(submatrix basedparadigm,SBP)

具有四个3×3子矩阵的基于子矩阵的范例(SBP)。两条虚线将整个6×6键盘矩阵划分为四个3×3子矩阵。每个子矩阵都以单像元范例(SCP)模式闪烁,并且独立于其他子矩阵。在实验过程中,虚线是不可见的。

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SBP

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识别字符“ E”

四位数的数字“代码”表示SBP试验,并且SBP序列中有9个试验。黑匣子中的“代码”可以引出P300。6×6矩阵中的数字表示P300的分布。(a)P300与前两个序列合在一起。(b)具有300个序列的P300合奏。

P300的应用

P300的一大应用场景就是脑机接口。由于P300具有如下许多理想的特性,因此其有助于实现BCI系统。首先,波形始终可检测,并会在精确的刺激下而激发出响应。在测量技术变化不大的情况下,P300波形可以在几乎所有受试者中诱发,这可能有助于简化界面设计并提高可用性。接口能够运行的速度取决于信号存在"噪声"下的可检测程度。P300的一个负面特征是,波形的幅度需要取多个记录的平均值才能隔离信号。

科学研究通常依靠对P300的测量来检查事件相关电位,尤其是在决策方面。由于认知障碍通常与P300的改变相关,因此该波形可用作衡量各种治疗对认知功能的功效的指标。正是因为这些原因,有人建议将其用作临床标记。P300在临床研究中有广泛的用途。

参考

High performance P300 speller for brain-computer interfaceA novel P300-based brain–computer interface stimulus presentation paradigm: Moving beyond rows and columns

基于P300和SSVEP混合范式脑—机接口研究

A region-based P300 speller for brain-computer interfaceA dynamic submatrix-based P300 online brain–computer interface

基于P300的脑机接口指令识别 

A Comparison of P300-speller Stimuli Presentation Paradigms for Brain-computer Interface

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