单侧化准备电位的含义和应用.docx

1、单侧化准备电位的含义和应用单侧化准备电位的含义和应用摘要：单侧化准备电位(lateralized readiness potential，lrp)是指在随意运动中，反应效应器方位所对应的对侧大脑皮层出现的准备电位。lrp分析的关键是确定启动时间点。lrp可以揭示刺激一反应不同阶段的认知加工时间特性。可以从反应准备的抽象性或具体性以及大脑控制运动输出的“中枢”机制或“外周”机制这两个思路去验证lrp。lrp在阈下知觉和内隐学习、运动准备和反应执行、西蒙效应等方面的认知心理学研究以及新兴的脑机界面工程心理学研究得到了广泛的应用，但lrp的应用存在着某些限制因素，如：脑电干扰、测量的低信噪比和其本身

2、对反应效应器的要求等。关键词：单侧化准备电位，阈下知觉，运动准备，西蒙效应，脑-机界面分类号：b84111单侧化准备电位的获得与分析究也采用c3、c4电极点。得到lrp的方法有两种，一是两阶段相减的方法(两次相减的方法)，二是相减一平均序列的方法。具体来说，lrp的获取过程如下：对于两次相减的方法，首先，对每个trial计算c3、c4电极的差异波；其次，分别对右手和左手反应的所有trial得到的差异波进行平均；最后，左手的平均差异波减去右手反应的平均差异波即得到lrp(c34l-c34r)，这里向下走向(正偏离)的lrp表明了正确反应的激活，而向上走向(负偏离)表明了错误反应的激活。相减-平均

3、序列的方法，则先分别计算左右手反应得到的c4与c3(左手)或c3与c4(右手)的差值，然后求出平均的lrp(c4-c3)l+(c3-c4)r2)，与两次相减的方法不同，后者正偏离的lrp表明了错误反应的激活，而负偏离lrp表明了对正确反应的激活。lrp分析的一个关键是确定启动时间点(onset)，常用的方法有三种：基于标准设定的方法、基线漂移的方法和基于回归的方法。基于标准设定的方法是找出lrp波形中第一个超过预先设定振幅值的振幅对应的时间点，这里的标准分为“绝对标准”和“相对标准”两种：“绝对标准”具体指明了比较振幅大小，如振幅定为0.5v，超过0.5v的lrp振幅所对应的时间点即为onse

4、t时间，而“相对标准”是指erp波形振幅峰值与特定百分比的乘积大小作为比较标准，30的振幅峰值。基线漂移的方法意指“从噪声中突显出来”，即找出整体lrp波幅恒定地超出在基线条件下波幅平均值加若干个标准差的第一个时间点。但首先要确定基线，比如确定基线为刺激出现前50ms和刺激出现后100ms振幅平均值加2.5个标准差。与前面标准设定的方法不同的是，它要求在找到符合要求的第一个时间点之后，至少在此后连续的两个时间窗口如50ms之内，lrp的振幅值必须超过该设定值，否则所得到的第一个时间点是虚假的onset，必须继续寻找真正的onset时间。lrp波形由前onset(pre-onset)部分和爬升部

5、分两段构成。基于回归的方法是寻找与两段lrp波形拟合的两条直线的相交点来确定lrp的onset时间。一般假定其中一条直线拟合lrp的pre-onset片段，而另一条直线拟合lrp爬升到峰值的波形部分。由于拟合所采用的自由度不同，该方法也有不同的分型，但都采用最小二乘法来确定两条直线。相对于前面两种方法，基于回归的方法能够得到一个相对无偏的onset时间，因为它不受onset前后不同lrp波形斜度的影响。从统计角度出发，有两套程序去确定不同被试所得的onset时间，即单个被试程序(single subjectprocedures)和刀切法(jackknife procedures)。单个被试程序

6、是指对每个被试在每个实验条件下所得到的平均lrp波形(average lrp)运用以上所列的三种方法之一来确定onset时间，并利用不同被试不同条件下的数据的变异程度进行假设检验。刀切法最初是用以上三种方法，针对每种实验条件下总体平均lrp波形(grand-average lrp)来估计onset时间(每个实验条件的lrp波形是求出所有被试在该条件下的平均lrp)。刀切法也用于子样本的平均值测定。对于样本容量n的被试群体，每次剔除一个样本，依次得到n个样本容量为n-1的子样本，用n个子样本的onset时间来计算onset时间的标准误，这样就能对控制条件和实验条件下onset时间进行假设检验(检

7、验)。2单侧化准备电位的验证从lrp的产生看，验证lrp有两条途径：一是由于lrp是运动准备相关的一个脑电成分，因此可以通过反应准备有关的运动动力学参数影响lrp的波形特征来进行验证；二是探讨lrp与大脑控制运动输出的关系，是“中枢”机制还是“外周”机制。第一条途径着眼于探讨lrp产生是“抽象”的动作准备过程还是“具体”的肌肉动作准备过程，或者说lrp产生与前置线索是否有关，以及在多大程度上相关。一般通过改变反应的前置线索来研究产生lpr的动作的不同参数之间的关系。这些前置线索可以是提供全部的反应信息(如用左手还是右手反应以及手的运动方向)，或只是规定将要发生动作的一些参数(如只规定是用哪只手

8、反应)，并保持其他参数不变。gratton等人的信息抽取和反应启动的实验中，结合p300和lrp解释反应的准备过程。实验利用“字母匹配”刺激，设置了三种前置线索(有效、无效和中性)。记录提示信号和目标信号之间的lrp，在线索呈现后l 000ms要求被试反应。在有效线索，即提示线索与目标刺激有80的概率匹配时，反应快而准确，lrp波形显著负向偏离；当线索无效即提示线索与目标刺激只有20的概率匹配时，反应易出错，lrp波形显著正向偏离，这说明相对 于中性条件(提示线索与目标刺激有50的几率匹配)，lrp在提示有效和提示无效的条件下都有较大的激活，因此lrp可以用来测量潜在的反应准备过程。gratt

9、on等也最先确立了关于lrp的“grattonrule”，即lrp在被试做出明显反应的时刻有相对固定的幅值，与反应速度、准确率和实验条件无关。mordkoff等进一步支持了“gratton rule”，认为在肌电图(emg)的启动点时刻，lrp的幅值在不同的反应时区间(bin)保持恒定。因此，以上研究认为lrp反映了“抽象”的动作准备过程。lrp是反应准备的一个恒定的确切的指标吗?它在不同的运动学参数条件下会恒定不变吗?研究表明除了规定用哪只手作反应外，增加提示反应的信息会得到更大的lrp幅值。hackley和miller认为与单一的手指击键相比，lrp在复杂运动(用一只手连续敲击键盘)的线索

10、下其幅值比前者的要大。比起只提示反应手的前置线索，如果前置线索给出了将要做出反应的运动方向、运动力和反应手等诸多参数，该前置线索后lrp的幅值更大。因此lrp不仅仅是在动作编程的早期和整体的“抽象”水平上反映了对反应方位的选择。但是，lrp幅值也不是简单地随着动作线索的反应参数的数量增加而增加。ulrich等人发现除了提示用哪只手反应外，增加提示反应的前置线索，如果这些增加的信息足够确定了需做何种反应，lrp对应的幅值增大，当有一个反应线索不确定的时候，lrp幅值并未增大。因此，lrp所反映的反应准备加工可能包含了两个阶段-反应力的选择和其他相关反应动作参数的准备。lrp验证的第二条途径着眼于

11、探讨反应阶段的lrp产生是个中枢过程还是外周过程，即是大脑中枢动作编程的产物，还是只受不同外周肌肉的影响。sommer等实验表明lrp的幅值在不同手指反应力大小、方向和力产生的速率下几乎不变，说明lrp与外周力的使用无关，可能更多的是反映了动作准备的大脑中枢过程。mordkoff等研究lrp在没有提示线索、快速任务(speeded task)下的表现，作为反应时间和反应动力学的函数，以肌电图启动点为参照的lrp的幅度不随所有动作的测量参数(包括反应时间，反应力的峰值、力的增益速率等)的变异而变化，保持相对恒定，但关联负变电位(cnv)的峰值随着反应力的峰值而非反应时间变化。这表明lrp在快速任

12、务中也只是一个与准备选择有关的系数，并非决定随后运动动力学的动作编码指标，这进一步支持了“graron rule”。肌肉收缩有两种方式：等张收缩(isotoniccontraction)和等长收缩(isometric contraction)。等张收缩是指肌肉收缩时，张力不变，肌肉长度改变并产生肢体关节活动的收缩方式；而等长收缩是指肌肉收缩时肌肉长度不变，张力增加，不产生肢体关节活动的收缩方式。pope用lrp指标考察了大脑中枢如何控制肌肉的放松。实验中运用了手腕水平伸展和向下自由弯曲的等张收缩任务，大拇指-食指按压测力传感器的等长收缩任务。研究结果发现在等张收缩条件下，手腕伸(激活)或屈(放

13、松)时的lrp在运动皮层都出现相同的幅值，但在手腕伸展时肌肉紧张，重新输入的动作激活导致在前额位置，产生较高的lrp幅值。在等长收缩条件下，lrp在手腕放松时比激活的情况下幅值要小，但在皮层分布上没有差别。因此lpr与不同的肌肉收缩方式和任务有关。ray等人的握力实验表明lrp的幅值受到不同反应力产生速率的影响，快的反应力速率产生高幅值的lrp，这表明外周运动因素对lrp起作用。因此，反应阶段的lrp可能受大脑中枢与外周效应器-肌肉的双重调制，但目前还未见统一的结论。3lrp的含义及在心理学研究中的应用选择反应时任务存在三个知觉阶段(预处理，特征抽取和辨别)和至少三个反应相关的阶段(反应选择、

14、动作编程和运动调整)。lrp作为反应准备的一个“在线”(online)标志，可以区分为刺激锁时lrp和反应锁时lrp。刺激出现和lrp出现的时间间隔定义为刺激锁时lrp(s-lrp)，lrp的出现和反应动作完成之间的间隔为反应锁时lrp(lrp-r)。在心理实验中，如果一个给定的实验操纵条件只影响到反应准备之前的加工，在反应较慢的条件下，只有在产生lrp的心理加工之前的那些认知加工被延长了，刺激锁时lrp将出现较晚，而反应锁时lrp的出现保持不变。相反，如果实验操纵影响到动作输出的加工，这时反应准备将会有相对延长的时程，即反应锁时lrp被“拉长”，而刺激锁时lrp在不同实验条件下会有相同的on

15、set时间。因此，基于刺激锁时和反应锁时lrp波形启动时间的计算，能够提供认知和反应加工过程的时程信息。3.1运动准备和反应执行目前lrp对运动准备和反应执行的研究，集中在两方面，一是不同任务中对信息加工阶段的定位，二是在物质依赖条件下以lrp考察心理加工的时程变化。leuthold等通过记录lrp和偶极子的分析，发现顶叶和前第一运动皮层(mi)与前置线索诱发的运动准备有关，而后运动皮层(mi)则与运动执行相联系。leuthold进一步研究了信息加工内部的lrp情况，结果表明反应时效度(即无效的启动项比起有效启动项需要更长的反应时间)出现在前运动阶段(pre-motoric locus)。ma

16、saki等认为在反应选择和动作编程阶段，符号刺激的反应兼容性和在等长收缩条件下的手指屈伸反应到达峰值力的时间影响了反应潜伏期，lrp开始出现在反应手的选择之后，在动作编程之前。rinkenauer等人利用线条辨别、词汇决策和erikson侧边任务，发现快速反应的任务要求所带来的压力影响了lrp启动前后的反应时阶段，s-lrp间隔和lrp-r间隔随反应速度的增加而增加，速度和正确率的权衡(trade-off)出现在相对较晚的后决策阶段(post-decision processes)。也有研究采用lrp指标考察不同药物物质对心理加工过程的影响。rammsayer设计了双盲交叉实验，研究多巴胺对健

17、康人群的感觉运动加工的调制。实验采用0.075mg d1d2多巴胺拮抗剂倍高利特(pergolide)，以安慰剂作为对照，结果发现倍高利特能可靠地提高信息加工速度，s-lrp潜伏期明显缩短，但lrp-r潜伏期不受影响。houlihan等用lrp考察了吸烟尼古丁对反应准备和执行加工的可能的影响，尼古丁分0.05mg和1.1mg两种剂量水平，在1.1mg水平刺激锁时和反应锁时lrp振幅峰值较大；不管是刺激锁时还是反应锁时，1.1mg吸烟量缩短了lrp出现的潜伏期。然而， 刺激锁时lrp出现的潜伏期明显缩短，这表明吸烟尼古丁对反应准备的促进作用大于反应的执行。3.2阈下知觉和内隐学习阈下刺激是通过直

18、接的感觉运动联系来影响人的操作绩效的。尽管掩蔽中断了对感觉刺激的知觉分析，阻止了对这些刺激的有意识的辨认，但这些感觉运动联系能使感觉刺激直接通达反应相关的加工阶段。如果存在这样的直接的感觉运动联系，不能通达意识觉察的刺激应当会激活反应。通过测量刺激反应的lrp，能发现存在阈下运动激活加工。leuthold和kopp在实验中呈现快速的启动刺激，启动刺激被随后目标的出现所掩蔽，反应手由目标的位置所决定，启动刺激出现在目标相同的位置(一致试验)或不同的位置(不一致试验)。尽管掩蔽程序排除了对启动位置的有意识觉察，lrp表明，启动触发了相应反应的早期激活：在不一致实验中，研究者发现了早期的错误的反应激

19、活，而在一致的实验中，发现早期的正确的反应激活。这对直接的感觉-运动联系假说提供了有力的支持，这些感觉一运动联系在阈下知觉中起了重要作用。minelli等利用简单的视觉反应任务，通过变化明度，把视觉刺激分成三个水平：生理心理阈下、阈限和阈上。结果在阈上(0.44cdm2)即明显做出反应和阈下(0.10cdm2)不做反应的水平上，均发现了稳定的lrp，这表明即使在阈下刺激和无明显反应时，运动皮层的激活也会产生。语义分析的结果会影响到运动加工，lrp测量也用于语义归类加工。dehaene呈现1到9之间的数字，数字或手写词作为掩蔽刺激和目标，要求被试将数字与“5”比较并归类。“一致”试验与“不一致”

20、试验的安排同上述leuthold和kopp的实验。尽管被试没有有意识地辨认启动，但在一致的试验中操作成绩较好，lrp波形表明了在一致试验中的正确反应的早期部分激活和不一致试验中的不正确反应激活。这个结果表明阈下启动在语义的水平进行归类，这种归类的结果影响了与反应有关的加工阶段。lrp测量也用于研究内隐和外显的序列学习机制。内隐学习是对学习材料的无意图或无觉察的学习。常用系列反应时间任务(srt)进行研究。在srt任务中，目标刺激遵照一个重复的序列排列，尽管被试不清楚特定序列的存在，但对此序列的过度学习导致反应时间的降低。当该序列突然被一个随机序列取代时，被试操作成绩下降。由于没有注意到该序列的

21、存在并且不能回忆或复述该序列的部分内容，被试至少是部分内隐地获得该序列结构的知识。lrp测量可用来考察动作学习是否促进了srt任务中观察到的内隐学习。eimer等重复呈现一个带有10个项目刺激的序列，训练明显地降低了lrp启动的潜伏期，直至lrp启动点与刺激启动点相重合。在报告外显序列知识的被试和完全没有觉察到序列呈现的“内隐”被试，都观察到了这种现象。但“外显”被试的这种效应比“内隐”被试要明显。总体上，这些结果表明动作反应的准备对srt任务的系列学习有重要作用，准备性运动加工出现在下一刺激呈现之前，而且运动学习参与到内隐系列学习之中。3.3西蒙效应当刺激的位置与反应选择完全无关时，仍能观察

22、到刺激反应的兼容性效应，即刺激与反应位置相对应时，比起刺激与反应位置不一致时的单侧手运动反应要快，亦称为西蒙效应。通过记录在一致和不一致试验中lrp的情况，边侧刺激激活空间上一致的刺激的假说得到了验证。vallesi考察了水平任务和垂直西蒙任务中lrp的情况。在水平任务中，西蒙效应随着反应时增加而减弱，而在垂直任务中西蒙效应不随反应潜伏期而变化。在水平任务时，lrp在不一致的试验中，首先出现在与不正确反应相同的方向，与刺激目标同侧，然后回到最终被执行的正确反应的方向(见图1)，这个趋势表明，随着刺激的出现，与刺激位置对应的最初的反应激活快速上升并随时间推移而下降，为正确反应做好准备。这里lrp

23、的早期偏离被称为“gratton-dip”，gratton-did是由刺激位置所激活的最初的自动反应。当信息从知觉传递到运动加工时，在刺激评价结束前，出现gratton-dip。在垂直任务时，lrp在不一致的试验中，刺激同侧的反应方向并没有出现偏离，只是对正确反应的准备上有些延迟。3.4脑-机界面与lrp脑-机界面(bci)是建立在人脑和计算机之间的，不依赖常规的大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的对外的信息交流和控制技术。柏林脑-机界面(bbci)是基于lrp而构建的，lrp作为慢波皮层电位的一种，不仅在运动准备时出现，也在想象运动中出现。bbci采用了机器学习的技术，基于不同动作想象的

24、空间频谱变化而工作，因此能适应每个用户特定的脑波特征，如左右手和脚想象运动所激发的脑波。bbci在最初的人机对话中就能得到高质量的反馈信息，无须培训被试。信息传递速率为6-40比特分。图2上所示为敲击键盘对应的左右皮层c3、c4的lrp在时间窗-450:200ms拉普拉斯滤波的eeg，灰色区域标明了100ms的基线校正，单侧化准备电位与左侧、静息和右侧手指活动特定相关。图2下是随着时间窗推移的四幅地形图分布，包括运动准备和达到最大负值时的情形。其中标“+”号的为c3和c4所在的位置。图3是两种心理状态即想象的右手运动和想象的右脚运动控制的文本登录系统(text entrysystem)，是bb

25、ci的hex-o-spell脑机界面的人机对话窗口。文本界面是以六角棋盘形呈现，六角围绕一个中心圆，每个六角内含有五个字母(包含“”后退键)，通过想象右手运动，中心圆的箭头顺时针旋转：想象的脚运动停止箭头旋转，并且箭头开始延伸，如果脚运动的想象持续，箭头就接触该六角并选中它，其它的五个角消失，被选中的六角单独移至屏幕的最右方。对该六角又重新开始小范围的第二轮字母选择。hex-o-spell是个有效的计时界面，从转移到指向状态确定了要选择的字母。受噪音，延迟和对eeg界面不熟悉等因素的影响，通信速率会受到限制，即很难测定在多大程度上用户能精确地过渡到所需要的字母。以转移60的时间为基准对被试的反

26、应时和系统之间进行校正，如果跨越时间比反应时短很多，那么将无法选择字母，随后开发的“语言模型”解决了这个问题。4小结“三思而后行”还是“做了再说”呢?认知心理学研究的一个困境是无法将人的外在明显的行为推演到其内部确切的心理加工过程。自从lrp发现以来，其已经在主流的认知心理学的各个领域得到了研究和应用。它的优势在于能够揭示潜在的认知加工的时间特性，特别是在有关动作准备与反应选择和反应决策上表现更为明显，了解lrp的时间过 程可以清晰地揭示各个心理加工过程的特点。利用lrp，我们就可以设置一些实验条件，对心理加工的阶段和时程做些区分。当前，lrp也出现在社会认知心理学关于情绪启动的研究，人格特征

27、的研究中。当然，lrp的应用也受到一定的限制：首先，它必须排除与其它erp成分的干扰，一个突出的例子是大脑中央和后部区域注意选择不对称引起的n2pc。n2pc是个增强的n2负电位成分，在与刺激目标位置对侧的大脑后部区域的电极上被观察到。不仅在阵列的视觉搜索任务中，即使目标与一个干扰项在对侧视野同时出现，也会引发n2pc，n2pc的效应可以通过在n2时间范围内，视野对侧目标激发的平均erp振幅减去同侧目标激发的平均erp振幅来计算分析，它有可能与lrp在波形上重叠。作为一种慢波成分，lrp必须排除与n2pc在波形上的重叠。在排除干扰erp成分的同时，lrp也应和其他erp成分如p300结合来解释

28、一些心理加工。p300的峰值和潜伏期指标被认为与刺激的确认和评价过程有关，而且基本上与反应选择加工无关。认知任务转换过程的几个模型争论的焦点在于确认任务转换究竟发生在哪个阶段，是在刺激确认的末端和反应选择的开始之间，还是刺激确认阶段之前存在任务相关的刺激集合偏差，以及刺激确认阶段后的反应选择的反应集合的调整，或者反应选择过程被延长了。结合p300，确定刺激确认与反应选择的边界，是检验这些模型的关键。鉴于p300指标相对纯净的这个特性，它能与lrp很好地结合以揭示认知任务转换过程。另外，lrp的测量存在一定的难度，首先是不可避免的低信噪比现象给lrp的测量带来一定的难度。其次，就onset时间的

29、确定而言，由于lrp的波形爬升是渐变的而不是快速达到峰值，加上脑电数据的高频采样容易产生误差，这些都客观地增加了找到错误的lrp onset时间的机会。再者，即使实验得到了lrp数据，由于lrp的两个阶段划分(刺激锁时和反应锁时)可能不准，试图说明实验所要解释的心理现象就存在着困难。但对于正常被试的样本，可以通过对心理实验的反应行为数据进行分类，如进行“快”反应分组和“慢”反应分组，然后据此找出对应的lrp，分组统计，尽量从实验设计和统计学角度减少数据的异质性；另外，采用刀切法(jackknife method)，即个体对所有被试的lrp平均值的影响可以通过逐一排除每个个体的数据，然后分析不同的个体排除后对整体数据平均值的影响来鉴别，如果所有的被试都表现了相同的效应，那么排除一个个体对总体平均值影响不大，这种方法也能有效消除onset时间之前的背景噪声。最后，lrp的应用必须严格遵照单侧效应器操作的原则，如果双手一起操作将得不到lrp，而且左右手的使用的频率要求大致相当。还有一点需要注意的是，当反应模式超过三种或三种以上时，lrp就不适用了。