|
生物电现象是生命活动的基本特征之一，各种活着的生物的体细胞在运转过程中均有生物电活动的表现。其实，英文细胞(cell)一词也有电池的含义，所以，可以把组织细胞想象为一节节微型的小电池。人脑中也存在很多神经细胞，我们叫它神经元。神经元中有一种细胞叫锥体细胞。当大脑进行某种活动时，该类型细胞的顶端树突会产生突触后电位。当这些突触后电位大量同步产生的时候，我们就能够通过一些技术手段记录到这些生物电，也就是脑电波(Electroencephalogram,EEG)。可以认为，EEG记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。由于这些神经元的集群放电活动能够实时的反映以及参与大脑的认知加工(此处有争论，一些大牛，如加州大学伯克利分校的神经科学家Robert Knight，麻省理工学院的神经系统科学家Earl Miller认为脑波是大脑运作的重要组成部分。然而，有些科学家认为它们只是单个神经细胞在发送信息时产生的不可避免的副产物，重要的是信号本身而不是脑波。在这里，我这只虾米就不参与这些争论)，因此，如何提取这些信号，并做有效分析便是一个有吸引力的课题。  神经元在放电，小心！图片来源于网络 对于EEG信号，我们通常可以用一些特性来描述，如极性、头皮区域、频谱、潜伏期和电压幅值等。而在EEG信号的采集过程中，头皮电极所能够测量到的信号实际上是电位差，这里的电位差即是作用电极（active electrode）与参考电极（reference electrode）的差值。为了得到这些参数的准确值，我们需要以最不活跃电极点作为参考，以便测得最理想的原始数据。所以在头皮记录测量中设定参考电极是无法避免的。 由于对神经元的集群放电活动的测量包含时空两个维度，因此不同参考电极对EEG信号的影响存在于时间和空间两个方面。在空间方面，参考电极原则上不会影响用无噪声的头皮电位去定位神经活动源。然而，如果在头皮记录中有噪声，则不同的参考电极也可能影响定位结果。在时间方面，参考电极的影响归因于参考电极位置处的生物电活动。如果人体表面上一点或所有电极电位的平均值是活动的，即随时间变化，那么参考电极的电位也会随时间而变化。当以它为参考时，就相当于在所有电极中引入了一个无法详知的时域变化过程。 比如在ERP研究中，认知神经科学家倾向于更多关注由不同实验条件引起的ERP振幅差异。 Tian和Yao(2013)指出，参考选择对每个实验条件的波幅的影响在每个电极的同一时间点是一个常数，而在不同时间点的数值是可变的。这种观点解释了为什么与任务相关的ERP效应随所用参考值而变化，并且还表明参考选择对EEG数据的影响是不可避免的。在这种情况下，如果所采用的参考是非中性的，则将任务诱导电位混合到每个实验条件的参考值的计算中。如果这些混合神经电位随实验条件而变化，那么每个实验条件的参考值将不是定值，因此扭曲了不同实验条件之间的真实振幅差异。Liang 等人 (2017)近期指出，当试图计算两个实验条件在某个时间点的ERP振幅之间的显著差异时，由于使用非中性参考引起的这种失真将表现为三种形式：(1)如果两个条件下的原始脑电幅值与各自的参考值有相同的变化趋势，则其幅值差会减弱;(2)如果两个条件的原始脑电幅值与它们各自的参考值具有相反的变化趋势，则它们的幅值差将被增大;(3)当两个条件的原始脑电幅值相同时，它们之间的幅值差将完全取决于它们各自参考值的差异（具体演示见下图）。  上图显示，当试图计算两个实验条件(C1-C2)在某个时间点的ERP振幅之间的显着差异时，使用非中性参考[即平均参考(AR)和双侧乳突(LM)]所引起的数据失真可能以三种形式传达。我们将理想中性参考(A行)获得的ERP数据作为真实数据。其他两种类型的参考在这些数据的基础上进行比较。从上面可以看出，与实际差值(行A和列G的差异图)相比：(情况1)如果任何一个电极的电压值(这里取F5，FZ和F6电极作为例子)在两个不同的实验条件下与它们各自的变化趋势相同参考值，那么它们的幅度差将被错误地减小(如蓝色箭头所示);(情况2)如果任何一个电极(这里以P5，PZ和P6电极作为示例)的电压值在两个不同实验条件之间与它们各自的参考值具有相反的变化趋势，则它们的幅度差将是虚假增强(如红色箭头所示);(情况3)，如果任何一个电极(这里以C5，CZ和C6电极作为示例)的电压值在两个不同的实验条件之间相同，然而它们之间的幅度差将完全取决于各自的参考电极点处的幅值差异。图片来自Liang,T., Hu, Z., Li, Y., Ye, C., & Liu, Q. (2017). Electrophsiological correlates of change detection during delayed matching task: a comparison ofdifferent references. Frontiers in Neuroscience, 11, 527.  直观的感受一下采用不同的参考技术（最上面的是双侧乳突，中间零参考，最下面是平均参考）处理同一个ERP数据后的结果差异。上面的结果图是指在六个电极（F7，FZ，F8，PO7，POz和PO8）中的四种不同的实验条件（NC，IC，RC，CC，来自一个简单的视觉异同判断任务）的ERP波形。图片来自Liang, T., Hu, Z., Li, Y.,Ye, C., & Liu, Q. (2017). Electrophysiological correlates of changedetection during delayed matching task: a comparison of different references.Frontiers in Neuroscience, 11, 527. 由于其原理简单，使用过程也简单粗暴，LM可能是被使用的最多的一种参考手段。LM的核心假定是，在双侧乳突的电极部位没有或较少有神经电生理活动。然而，这种假设并不成立，因为头部没有真正的零电活性参考位点。此外可以认为，身体是一个有界的绝缘容积导体。因此，大牛Geselowitz早就看破这一切，并一直见血的指出，在人体上寻找一个电位为零的点是没有意义的。考虑到双侧乳突与颞枕区相邻，这些区域中与任务有关的电活动将不可避免地混入到LM的计算中。这将导致双侧颞枕区的电信号减弱，而远离双侧乳突部位(即中央额区)的信号被错误地增强。这个推论与在一些数据中观察到的结果是一致的。其它身体上的参考手段，如鼻尖参考，也可以采用以上逻辑。 2. 平均参考(average reference, AR)技术 与LM不同，AR使用所有电极的平均值，因此被认为对任何电极位置均无偏差。AR的基本假设是在任何给定的时间点，容积导体的表面电位为零。在这种情况下，头皮上密集覆盖电极的平均电位将无限接近理论上期望的零基准。这意味着当整个大脑密集地被电极覆盖并接近球形时，AR可以收敛到理论零值。但是，考虑到电极的空间分布局限于头部的上部(即多数研究中使用的电极帽)，并且，没有人的脑袋长得像球(你在说我的脑袋像球么？回击：你才像球！)，这种电极设置的理论假设在实际操作中几乎不可能实现。在这种情况下，与LM一致，不同实验条件下AR的参考值不会是一个定值。假设两个条件之间的幅值差主要发生在脑区的一部分，根据上述逻辑，这些脑中的ERP幅值差异区域可能会减弱并错误地转移到其它大脑区域。AR的理论缺陷也在Yao(2017)最近的研究中被指出。 3. 零参考技术(敲黑板，中国人自己的参考！) 为了解决这个问题，人们自然希望能用一个中性电位点作为参考电极。由于在空间上无限远点是远离神经活动源的，它的电位可以被假设为零，所以这样的点是理想的参考电极点。事实上，无限远点一直是电磁学中分析场问题时采用的参考电位点。国内的尧德中老师提出一种参考电极标准化技术Reference electrode standardization technique（REST），也就是零参考技术，能将以头皮层表面上一点或平均电位为参考电极的实际记录近似地转换为以空间上的无限远点为参考电极的记录。该转换的物理依据是，转换前后的电位都是由脑内的实际神经活动源或它们的等效源所产生的，因此转换前后的电位可以通过共同的物理源联系起来。 与其它两种类型的参考相比，REST不是基于人体表面电极位置的参考模式。更重要的是，REST具有数学物理的坚实理论支持(具体理论描述与算法，可以查看下面尧老师的文献)。大量研究已经证明，通过近似地重建远离所有脑源和头皮电极位置的点，由REST计算的值更接近中性参考值。因此，REST被认为是恢复脑电信号的最可靠的技术。REST的合理性也得到了一系列仿真研究的证实(读者自己查文献)。这些研究均表明，REST技术提供的参考值更接近理想的零点或中性点。也就是说，用REST参考处理的数据与实际情况最接近。 PS：为了阅读方便，文中没有具体一一标注文献出处。如写的不好，请谅解作者水平有限。如有不同的见解，可在评论区指出，大家讨论。 YAO, D. (2001).A METHOD TO STANDARDIZE A REFERENCE OF SCALP EEG RECORDINGS TO A POINT ATINFINITY. PHYSIOLOGICAL MEASUREMENT 22(4), 693. YAO, D. (2017).IS THE SURFACE POTENTIAL INTEGRAL OF A DIPOLE IN A VOLUME CONDUCTOR ALWAYSZERO? A CLOUD OVER THE AVERAGE REFERENCE OF EEG AND ERP. BRAIN TOPOGR 30(2),161-171. DOI: 10.1007/S10548-016-0543-X. GESELOWITZ, D.B.(1998). THE ZERO OF POTENTIAL. IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGYMAGAZINE 17, 128-132. LIANG, T., HU,Z., LI, Y., YE, C., & LIU, Q. (2017). ELECTROPHYSIOLOGICAL CORRELATES OFCHANGE DETECTION DURING DELAYEDMATCHING TASK: A COMPARISON OF DIFFERENT REFERENCES. FRONTIERS IN NEUROSCIENCE, 11, 527. 尧老师介绍REST的网站：HTTP://WWW.NEURO.UESTC.EDU.CN/REST/ 脑域科技特约作者 梁腾飞，辽宁师范大学在读博士，研究兴趣主要为视觉工作记忆的存储机制。目前使用过的研究手段主要有心理物理法，经颅直流电刺激以及神经电生理技术。以一作发表论文四篇，其中SCI和SSCI各一篇，同时在国内的顶级专业期刊心理科学进展上发表论文两篇。  编辑排版 | Double 编辑校对 | 付饶 |
|
|
