劉笑雨

摘 要：事件相關(guān)電位是諸多腦電信號(hào)的一種，反映了人從接受刺激到初級(jí)認(rèn)知加工過(guò)程的大腦處理能力。其突出特點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)相應(yīng)波峰。該信號(hào)在臨床和實(shí)際應(yīng)用中的都有著巨大價(jià)值。本文著重介紹事件相關(guān)電位本身的特點(diǎn)以及其在臨床和腦機(jī)接口中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：事件相關(guān)電位;P300;初級(jí)認(rèn)知;腦機(jī)接口

中圖分類號(hào)：R331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0201-02

科學(xué)地認(rèn)識(shí)與研究大腦對(duì)于人類健康的發(fā)展以及對(duì)自身的認(rèn)識(shí)都有著至關(guān)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(jī)理在當(dāng)前階段并不可取，如何從外部不侵入或較少侵入地對(duì)大腦進(jìn)行觀察、記錄已經(jīng)成為當(dāng)前腦科學(xué)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(dòng)的直觀表現(xiàn)是興奮的產(chǎn)生與傳遞，物理上而言這種興奮是依靠生物電信號(hào)進(jìn)行傳播的。腦電就是一種大腦皮層產(chǎn)生的電信號(hào)活動(dòng)，該信號(hào)反映了人的大腦皮層不同部位的活躍程度。該電信號(hào)可以通過(guò)電極內(nèi)置式、外置式進(jìn)行采集，因此在當(dāng)前是一種比較理想的用于腦科學(xué)的研究對(duì)象。

根據(jù)是否有外界刺激，腦電信號(hào)可以分為內(nèi)源性信號(hào)與誘發(fā)信號(hào)。其中，誘發(fā)電位，又稱誘發(fā)反應(yīng)，是指對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加一個(gè)刺激，所引起的人腦的微弱電變化。事件相關(guān)電位（ERP，event-related potential）是一種特殊的誘發(fā)電位，已經(jīng)在很多研究與具體工程中得到了應(yīng)用。本文聚焦于事件相關(guān)電位，將對(duì)其特點(diǎn)、應(yīng)用原理展開具體介紹。

1 事件相關(guān)電位

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

事件相關(guān)電位主要有以下特點(diǎn)[2]：（1）ERP并不是散布于大腦各個(gè)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(yán)格的鎖時(shí)關(guān)系（即往往會(huì)在刺激出現(xiàn)后的固定時(shí)間段出現(xiàn)響應(yīng)），但具體關(guān)系會(huì)受多種因素影響而發(fā)生變化。

P300是事件相關(guān)電位的一種，因潛伏期時(shí)長(zhǎng)為300ms左右而得名，也稱P3。該信號(hào)分為P3a、P3b兩個(gè)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(duì)，P3b的潛伏期要長(zhǎng)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(chǎn)生的一種應(yīng)激電位。P300及其亞成分反映了與知覺(jué)及記憶等認(rèn)知過(guò)程有關(guān)的生理心理功能，可由兩個(gè)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(hào)采用雙刺激實(shí)驗(yàn)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(duì)靶刺激做出反應(yīng)。其中，靶刺激出現(xiàn)的概率應(yīng)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(bǔ)。給予刺激后，大腦首先產(chǎn)生與認(rèn)知功能相關(guān)的P3a，緊接著出現(xiàn)與感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的P3b。

2 事件相關(guān)電位應(yīng)用

根據(jù)前人研究結(jié)果，可得知：事件相關(guān)電位可以反映人從接受刺激到初級(jí)認(rèn)知加工的過(guò)程。目前，P300是事件相關(guān)電位中最典型，應(yīng)用最廣的成分，接下來(lái)，筆者將從科學(xué)研究與工程應(yīng)用兩個(gè)部分，對(duì)事件相關(guān)電位的應(yīng)用進(jìn)行具體展開和詳細(xì)介紹。

2.1 臨床應(yīng)用

2.1.1 阿爾茲海默病（ Alzheimers disease，AD）

人們利用事件相關(guān)電位在阿爾茨海默病的研究領(lǐng)域取得了比較豐碩的成果，實(shí)際上現(xiàn)在國(guó)際上公認(rèn)AD患者事件相關(guān)電位的潛伏期會(huì)隨病情加重而明顯延長(zhǎng)。同時(shí)AD患者腦部海馬形態(tài)、體積也隨之變化，事實(shí)上醫(yī)學(xué)上已經(jīng)嘗試使用事件相關(guān)電位評(píng)測(cè)與磁共振波譜檢測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)阿爾茲海默癥進(jìn)行診斷。深圳市羅湖區(qū)人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)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(duì)象，實(shí)施核磁波譜分析及聽覺(jué)事件相關(guān)誘發(fā)電位檢查，發(fā)現(xiàn)阿爾茲海默癥的嚴(yán)重程度與事件相關(guān)電位潛伏期有著較為明顯的負(fù)相關(guān)性。該研究表明事件相關(guān)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(guān)電位技術(shù)的應(yīng)用為針灸治療癡呆的療效評(píng)價(jià)供了客觀指標(biāo)。賀丹等[6]使用P300機(jī)器相關(guān)指標(biāo)為依據(jù)對(duì)接收針灸治療的癡呆患者進(jìn)行效果評(píng)估，治療前后結(jié)果對(duì)比顯示向百會(huì)穴注射腦復(fù)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(rèn)知功能損害等，P300能準(zhǔn)確反映精神分裂癥患者的認(rèn)知能力。相關(guān)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(zhǎng)的現(xiàn)象[7]。

目前，P300電位已被應(yīng)用于研究精神分裂癥患者的認(rèn)知情況。青海省第三人民醫(yī)院在一項(xiàng)研究中，通過(guò)測(cè)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(jīng)過(guò)4周足量利培酮治療后，患者的認(rèn)知功能有所提高，精神狀態(tài)明顯改善，而同時(shí)P300潛伏期明顯縮短，且波幅增大[8]。

2.1.3 腦外傷

P300信號(hào)可用于研究腦外傷造成的認(rèn)知功能損害。寇振芬[9]等的研究表明：腦外傷導(dǎo)致的精神障礙患者相對(duì)于健康者，其p300信號(hào)潛伏期明顯延長(zhǎng)，且波幅減小。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[10]：嚴(yán)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(gè)月后隨著患者逐漸恢復(fù)，與正常人的P300信號(hào)的差距雖然仍存在，但失去了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的有效性。而Sharova等[11]發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重受損傷的患者（尤其是對(duì)外界刺激無(wú)法做出及時(shí)反應(yīng)的）其事件相關(guān)電位會(huì)出現(xiàn)明顯的異常。

2.2 腦機(jī)接口

腦機(jī)接口是近些年來(lái)得到飛速發(fā)展的一種人機(jī)交互技術(shù)，其基本構(gòu)造為電極、信號(hào)處理單元和通信單元。經(jīng)過(guò)特殊處理的電極在人的頭皮表面進(jìn)行信息收集并將其傳輸給信號(hào)處理單元作必要的預(yù)處理（例如信號(hào)的放大、濾波等），進(jìn)而講收集到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)、嵌入式設(shè)備等進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

腦機(jī)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(guān)設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，其原因歸根結(jié)底在于腦電信號(hào)干擾量多，有用信號(hào)往往幅值很小，甚至淹沒(méi)在噪聲中。因此，選取可靠的、合適的腦電信號(hào)就成為了發(fā)展腦機(jī)接口技術(shù)的一大任務(wù)。

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

接下來(lái)，筆者將舉三個(gè)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)的例子對(duì)腦機(jī)接口的應(yīng)用加以展開。

2.2.1 文字輸入

通過(guò)事件相關(guān)電位進(jìn)行文字輸入的基本原理為：電腦屏幕“偽隨機(jī)”地閃爍字符，如果用戶希望輸入某個(gè)字符（例如“A”），就會(huì)注視屏幕上該字符出現(xiàn)的位置，那么其他字符對(duì)于用戶而言就是“大概率”的，因此不會(huì)引發(fā)“響應(yīng)”，而目標(biāo)字符出現(xiàn)時(shí)，對(duì)于用戶而言“奇異事件”，或者說(shuō)小概率事件，發(fā)生了，因此用戶的大腦皮層會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的響應(yīng)，也就是P300信號(hào)的產(chǎn)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(biāo)記點(diǎn)”，那么我們可以認(rèn)為該用戶希望輸入這個(gè)被標(biāo)記的字符。因此，該技術(shù)的關(guān)鍵在于如何識(shí)別人的P300信號(hào)。

2.2.2 輪椅移動(dòng)

與文字輸入類似，輪椅移動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于如何識(shí)別波峰并前溯300ms定位刺激。例如，我們可以通過(guò)屏幕來(lái)顯示若干個(gè)移動(dòng)信號(hào)，例如前、后、左、右和停止，這五個(gè)信號(hào)隨機(jī)閃爍，當(dāng)我們希望輪椅向前移動(dòng)時(shí)便注視前進(jìn)信號(hào)，這時(shí)前進(jìn)信號(hào)就成為了“靶信號(hào)”。如果系統(tǒng)在腦電信號(hào)中檢測(cè)出了事件相關(guān)電位，向前追溯300ms左右發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)出的前進(jìn)信號(hào)，就可以認(rèn)為用戶需要輪椅向前移動(dòng)，系統(tǒng)便會(huì)向輪椅發(fā)出具體的控制信號(hào)。

2.2.3 刑偵測(cè)謊

P300電位可用于刑偵測(cè)謊，其基本原理為：向被測(cè)者展示一系列與案件相關(guān)（作為靶刺激）或無(wú)關(guān)（作為非靶刺激）的信息，被測(cè)者通過(guò)按下“yes”或“no”向測(cè)試人反饋他們是否熟識(shí)該信息或?qū)υ撔畔⒅?。若被測(cè)者對(duì)某個(gè)與案件相關(guān)的信息知情，可在其腦部檢測(cè)到一個(gè)波幅較大的p300信號(hào)，相反，若被測(cè)者不知情，則在其腦部檢測(cè)到的p300信號(hào)與展示無(wú)關(guān)信息時(shí)相似。

應(yīng)用p300電位，可以較快速、準(zhǔn)確地區(qū)分嫌疑人和無(wú)辜者。目前，p300測(cè)謊技術(shù)正在刑偵界迅速發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

P300信號(hào)作為一種反映人從接受刺激到初級(jí)認(rèn)知加工過(guò)程的大腦處理能力的腦電信號(hào)，不僅在臨床上有著廣泛的應(yīng)用，其在工業(yè)設(shè)計(jì)、具體產(chǎn)品開發(fā)上也有著較好的應(yīng)用前景。我們希望在不遠(yuǎn)的將來(lái)人類可以直接通過(guò)“想法”來(lái)進(jìn)行有效信息的輸出，從這個(gè)角度而言，腦電信號(hào)有著深刻而長(zhǎng)遠(yuǎn)的作用。

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

參考文獻(xiàn)

[1] 楊文俊.事件相關(guān)電位[J].新醫(yī)學(xué)，1999（5）：298-300.

[2] 李興啟.聽覺(jué)誘發(fā)反應(yīng)及應(yīng)用[M].人民軍醫(yī)出版社，2007.

[3] Hada M， Projesz B， Begleiter H， et al. Auditory P3a assessment ofmale alcoholics[J]. Biol P sych，2000，48：276-286.

[4] Restuccia D， Della Marca G， Marra C， et al. Attentional load of the primary task influences the frontal but not the temporal generators of mismatch negativity[J]. Cognitive Brain Research ，2005，25：891-899.

[5] 張明之，蔡曉斌，朱治山.聽覺(jué)事件相關(guān)誘發(fā)電位與磁共振波譜分析在AD患者診斷中的臨床應(yīng)用[J].黑龍江醫(yī)學(xué)，2017，41（7）：609-610.

[6] 賀丹，李瑞利，李鳳鸞.腦復(fù)活因子穴位注射療法治療阿爾茨海默病療效觀察[J].腦與神經(jīng)疾病雜志，2000，8（2）：109-111.

[7] Stekelenburg J J ，Maes J P ，Van Gool A R ，et al. Deficient multisensory integration in schizophrenia： An event-related potential study[J]. Schizophrenia Research，2013，147（2-3）：253-261.

[8] 汪海燕，王玉超.30例首發(fā)精神分裂癥患者治療前、后事件相關(guān)電位P300分析[J].青海醫(yī)藥雜志，2017（5）：10-11.

[9] 寇振芬.P300對(duì)顱腦外傷所致精神障礙的認(rèn)知功能評(píng)價(jià)[J].中國(guó)神經(jīng)精神疾病雜志，2006，32（5）：412-414.