事件相关电位及其应用

刘笑雨

摘 要：事件相关电位是诸多脑电信号的一种，反映了人从接受刺激到初级认知加工过程的大脑处理能力。其突出特点是在小概率事件（刺激）出现后的固定潜伏期人的大脑皮层会出现相应波峰。该信号在临床和实际应用中的都有着巨大价值。本文着重介绍事件相关电位本身的特点以及其在临床和脑机接口中的应用。

关键词：事件相关电位;P300;初级认知;脑机接口

中图分类号：R331 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0201-02

科学地认识与研究大脑对于人类健康的发展以及对自身的认识都有着至关重要的作用。但是考虑到大脑在人体位置的特殊性（颅骨下方），直接研究大脑本身的机理在当前阶段并不可取，如何从外部不侵入或较少侵入地对大脑进行观察、记录已经成为当前脑科学的重要议题。

众所周知，大脑思考、控制身体其他部位等一系列活动的直观表现是兴奋的产生与传递，物理上而言这种兴奋是依靠生物电信号进行传播的。脑电就是一种大脑皮层产生的电信号活动，该信号反映了人的大脑皮层不同部位的活跃程度。该电信号可以通过电极内置式、外置式进行采集，因此在当前是一种比较理想的用于脑科学的研究对象。

根据是否有外界刺激，脑电信号可以分为内源性信号与诱发信号。其中，诱发电位，又称诱发反应，是指对实验对象施加一个刺激，所引起的人脑的微弱电变化。事件相关电位（ERP，event-related potential）是一种特殊的诱发电位，已经在很多研究与具体工程中得到了应用。本文聚焦于事件相关电位，将对其特点、应用原理展开具体介绍。

1 事件相关电位

事件相关电位（ERP，event-related potential）是指人在受到刺激后，大脑皮层对刺激做出响应并产生的一种电信号，属于近场电位（也有一种观点是事件相关电位等于近场电位），能反应认知过程中大脑的神经电生理改变。在具体的在认知加工过程中，我们可以通过平均叠加方法从头颅表面记录到该电位，故该信号又称认知电位。一般来讲事件相关电位包括P1、N1、P2、N2和P300五种成分。其中，P300信号反映了大脑对信息的初步认知加工，是一种复合波形，可分为P3a、P3b和隨后的一个慢波共三个分量。此外，MMN、CNV、N400等也可包括在事件相关电位这个大家族中[1]。

事件相关电位主要有以下特点[2]：（1）ERP并不是散布于大脑各个区域，一般分布于比较集中和特定的区域;（2）ERP的波形彼此差异性不大;（3）ERP波形的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系（即往往会在刺激出现后的固定时间段出现响应），但具体关系会受多种因素影响而发生变化。

P300是事件相关电位的一种，因潜伏期时长为300ms左右而得名，也称P3。该信号分为P3a、P3b两个亚组。P3a是P300电位中的一种早期亚组成分，于较短潜伏期（220～280ms）出现，又称早期P300（P300E）。与之相对，P3b的潜伏期要长些（310～380ms），又叫晚期P300（P300L）[3]。总之，P300可以理解为在受到刺激后300ms左右在大脑皮层产生的一种应激电位。P300及其亚成分反映了与知觉及记忆等认知过程有关的生理心理功能，可由两个以上的刺激组成的刺激序列或刺激泛型引出。通常，研究P300信号采用双刺激实验的方法，具体操作为：给予受试者间隔1～3s的一系列靶刺激和非靶刺激，并要求受试者对靶刺激做出反应。其中，靶刺激出现的概率应低于30%，非靶刺激出现的概率与靶刺激出现的概率互补。给予刺激后，大脑首先产生与认知功能相关的P3a，紧接着出现与感觉和运动功能相关的P3b。

2 事件相关电位应用

根据前人研究结果，可得知：事件相关电位可以反映人从接受刺激到初级认知加工的过程。目前，P300是事件相关电位中最典型，应用最广的成分，接下来，笔者将从科学研究与工程应用两个部分，对事件相关电位的应用进行具体展开和详细介绍。

2.1 临床应用

2.1.1 阿尔兹海默病（ Alzheimers disease，AD）

人们利用事件相关电位在阿尔茨海默病的研究领域取得了比较丰硕的成果，实际上现在国际上公认AD患者事件相关电位的潜伏期会随病情加重而明显延长。同时AD患者脑部海马形态、体积也随之变化，事实上医学上已经尝试使用事件相关电位评测与磁共振波谱检测相结合的方法对阿尔兹海默症进行诊断。深圳市罗湖区人民医院神经内科的张明之等人[5]，将2015.01—2016.01间收治的60例AD患者（轻度痴呆30例，中度痴呆18例，重度痴呆12例）作为研究对象，实施核磁波谱分析及听觉事件相关诱发电位检查，发现阿尔兹海默症的严重程度与事件相关电位潜伏期有着较为明显的负相关性。该研究表明事件相关电位或可为阿尔兹海默症的诊断提供支持。

另一方面，事件相关电位技术的应用为针灸治疗痴呆的疗效评价供了客观指标。贺丹等[6]使用P300机器相关指标为依据对接收针灸治疗的痴呆患者进行效果评估，治疗前后结果对比显示向百会穴注射脑复活因子的治疗有效率为78.3%。

2.1.2 精神分裂

精神分裂症的主要症状为情感障碍、记忆力缺陷、认知功能损害等，P300能准确反映精神分裂症患者的认知能力。相关研究表明：精神分裂症的病理核心是注意力涣散，存在P3a、P3b 潜伏期延长的现象[7]。

目前，P300电位已被应用于研究精神分裂症患者的认知情况。青海省第三人民医院在一项研究中，通过测量、分析30例首发精神分裂症患者治疗前后的P300电位，发现30例患者经过4周足量利培酮治疗后，患者的认知功能有所提高，精神状态明显改善，而同时P300潜伏期明显缩短，且波幅增大[8]。

2.1.3 脑外伤

P300信号可用于研究脑外伤造成的认知功能损害。寇振芬[9]等的研究表明：脑外伤导致的精神障碍患者相对于健康者，其p300信号潜伏期明显延长，且波幅减小。国外学者研究发现[10]：严重脑外伤患者在亚急性期（2月）P300潜伏期相差显著，在4.5个月后随着患者逐渐恢复，与正常人的P300信号的差距虽然仍存在，但失去了统计学上的有效性。而Sharova等[11]发现严重受损伤的患者（尤其是对外界刺激无法做出及时反应的）其事件相关电位会出现明显的异常。

2.2 脑机接口

脑机接口是近些年来得到飞速发展的一种人机交互技术，其基本构造为电极、信号处理单元和通信单元。经过特殊处理的电极在人的头皮表面进行信息收集并将其传输给信号处理单元作必要的预处理（例如信号的放大、滤波等），进而讲收集到的信号传输给计算机、嵌入式设备等进行相关运算。

脑机接口的概念早已有人提出，但直到近些年才有比较成熟的相关设备进入市场，其原因归根结底在于脑电信号干扰量多，有用信号往往幅值很小，甚至淹没在噪声中。因此，选取可靠的、合适的脑电信号就成为了发展脑机接口技术的一大任务。

如前文所说，P300信号是稳定发生在刺激产生后300ms左右的一种脑电信号，虽然其峰值较小，容易与噪声、干扰相混淆，但我们可以通过平均叠加的形式對其进行相关处理，保留P300信号、滤去干扰。

接下来，笔者将举三个已经进入实际应用环节的例子对脑机接口的应用加以展开。

2.2.1 文字输入

通过事件相关电位进行文字输入的基本原理为：电脑屏幕“伪随机”地闪烁字符，如果用户希望输入某个字符（例如“A”），就会注视屏幕上该字符出现的位置，那么其他字符对于用户而言就是“大概率”的，因此不会引发“响应”，而目标字符出现时，对于用户而言“奇异事件”，或者说小概率事件，发生了，因此用户的大脑皮层会产生相关的响应，也就是P300信号的产生。

如果我们能够在用户的脑电图上发现P300波峰，并在波峰出现前约300ms处发现字符出现的“标记点”，那么我们可以认为该用户希望输入这个被标记的字符。因此，该技术的关键在于如何识别人的P300信号。

2.2.2 轮椅移动

与文字输入类似，轮椅移动功能实现的关键在于如何识别波峰并前溯300ms定位刺激。例如，我们可以通过屏幕来显示若干个移动信号，例如前、后、左、右和停止，这五个信号随机闪烁，当我们希望轮椅向前移动时便注视前进信号，这时前进信号就成为了“靶信号”。如果系统在脑电信号中检测出了事件相关电位，向前追溯300ms左右发现了系统发出的前进信号，就可以认为用户需要轮椅向前移动，系统便会向轮椅发出具体的控制信号。

2.2.3 刑侦测谎

P300电位可用于刑侦测谎，其基本原理为：向被测者展示一系列与案件相关（作为靶刺激）或无关（作为非靶刺激）的信息，被测者通过按下“yes”或“no”向测试人反馈他们是否熟识该信息或对该信息知情。若被测者对某个与案件相关的信息知情，可在其脑部检测到一个波幅较大的p300信号，相反，若被测者不知情，则在其脑部检测到的p300信号与展示无关信息时相似。

应用p300电位，可以较快速、准确地区分嫌疑人和无辜者。目前，p300测谎技术正在刑侦界迅速发展。

3 结语

P300信号作为一种反映人从接受刺激到初级认知加工过程的大脑处理能力的脑电信号，不仅在临床上有着广泛的应用，其在工业设计、具体产品开发上也有着较好的应用前景。我们希望在不远的将来人类可以直接通过“想法”来进行有效信息的输出，从这个角度而言，脑电信号有着深刻而长远的作用。

当然我们也要注意到，脑电信号作为一种噪声多、幅值小、易受干扰的生物信号，其本身是由很大的局限性的，因此与其他信号相结合或者多种脑电信号相结合，采用多模态的形式来加以利用或许是更加科学和严谨的做法。

参考文献

[1] 杨文俊.事件相关电位[J].新医学，1999（5）：298-300.

[2] 李兴启.听觉诱发反应及应用[M].人民军医出版社，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] 张明之，蔡晓斌，朱治山.听觉事件相关诱发电位与磁共振波谱分析在AD患者诊断中的临床应用[J].黑龙江医学，2017，41（7）：609-610.

[6] 贺丹，李瑞利，李凤鸾.脑复活因子穴位注射疗法治疗阿尔茨海默病疗效观察[J].脑与神经疾病杂志，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例首发精神分裂症患者治疗前、后事件相关电位P300分析[J].青海医药杂志，2017（5）：10-11.

[9] 寇振芬.P300对颅脑外伤所致精神障碍的认知功能评价[J].中国神经精神疾病杂志，2006，32（5）：412-414.