参考电极对面孔识别事件相关电位成分的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1694

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (18): 2909-2914.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1694

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参考电极对面孔识别事件相关电位成分的影响

王毅，黄华，赖虹宇，张军鹏

四川大学电气信息学院医学信息工程系，四川省成都市 610065

收稿日期:2019-01-14 出版日期:2019-06-28 发布日期:2019-06-28
通讯作者: 张军鹏，博士，副教授，硕士生导师，四川大学电气信息学院医学信息工程系，四川省成都市 610065
作者简介:王毅，男，1991年生，汉族，四川省营山县人，四川大学电气信息学院在读硕士，主要从事医学信号分析、图像处理研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81470085)，项目负责人：张军鹏；成都市科技惠民计划(2016-HM01-00462-SF)，项目负责人：张军鹏

Influence of reference electrode on face recognition event-related potential components

Wang Yi, Huang Hua, Lai Hongyu, Zhang Junpeng

Department of Medical Information Engineering, School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan Province, China

Received:2019-01-14 Online:2019-06-28 Published:2019-06-28
Contact: Zhang Junpeng, MD, Associate professor, Master’s supervisor, Department of Medical Information Engineering, School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan Province, China
About author:Wang Yi, Master candidate, Department of Medical Information Engineering, School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81470085 (to ZJP); the Technology Huimin Program of Chengdu, No.2016-HM01-00462-SF (to ZJP)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

头皮统计学参数映射：两种条件下，大脑皮质电位具有显著性统计学差异的分布情况，它会随参考电极的选择而发生改变。因此，在同一实验中，采用不同的参考电极方式可能会导致得出不同的实验结论。

源定位：通过在头皮记录的事件相关电位来推算其颅内起源，即获得每个源区域的源活动。源定位结果显示各部分网格内的电流密度值，用以表示大脑皮质活动水平。

背景：选择脑电图参考电极方式是分析事件相关电位的关键步骤，但是参考电极事件相关电位成分影响的相关研究较少。

目的：从统计学和头皮电位拓扑学角度比较分析了平均参考、左耳乳突参考和零参考对面孔识别事件相关电位成分的影响。

方法：使用的脑电图数据来自国际公开数据库Open fMRI中的多模态人类神经影像数据集。招募了19名正常或矫正视力正常的健康者进行视觉刺激试验，试验的视觉刺激因子分别为陌生人脸和扰乱人脸。使用brainstorm软件对3种参考(平均参考、左耳参考、零参考)方式下，在枕颞叶区域采集到的事件相关电位，进行N170潜伏期和幅值分析，并进行头皮电位拓扑图和源定位计算，对3种参考下的实验结果进行对比分析。

结果与结论：①与扰乱人脸相比，陌生人脸诱发的事件相关电位N170有更短的潜伏期和更大N170幅值的特点，N170潜伏期没有显著性差异，N170幅值有显著性差异；②拓扑结果表明，在相同的刺激因子下大脑右侧颞叶比左侧枕叶活动更为强烈，且只有REST参考能够最好地揭示大脑右侧颞叶和前额叶区域在陌生人脸和扰乱人脸刺激时存在显著性差异；③结果说明，REST参考方式下得到的脑电图数据更加真实准确，这为进一步研究面孔识别神经机制提供了帮助，为面孔识别相关实验参考电极的选择提供依据。

ORCID: 0000-0001-8681-3499(王毅)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 脑电图, 参考电极, N170, 面孔识别, 源定位, 右侧额叶, 前额叶, 人脸刺激, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Selecting the electroencephalograph reference electrode is a key step in the analysis of event-related potential, but there are few studies on the influence of reference electrode event-related potential components.

OBJECTIVE: To compare and analyze the effects of mean reference, left ear papillary reference and zero reference on face recognition event-related potential components were analyzed from the perspectives of statistics and scalp potential topology.

METHODS: The electroencephalograph data were from the multimodal human neuroimaging dataset in the Open fMRI database. Nineteen normal or normal corrected vision volunteers underwent visual stimulation test, and the visual stimulation factors were strange and disrupt faces. The latency and amplitude of N170 under three references (mean reference, left ear papillary reference and zero reference) was analyzed. The brainstorm potential topology and source localization calculation were performed using brainstorm software. Finally, the experimental results under the three references were compared and analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with disturbing the face, the strange face-induced event-related potential N170 had a shorter latency and larger N170 amplitude. There was no significant difference in the N170 latency, and the N170 amplitude has a significant difference. (2) Topological results indicated that the right temporal lobe of the brain was more intense than the left occipital lobe under the same stimuli, and only the REST reference could best reveal the right temporal and prefrontal regions of the brain in strange faces and disturbing people. There is a significant difference in face stimulation. (3) These results show that the electroencephalograph data obtained by REST reference is more realistic and accurate, which helps us to further study the neural mechanism of face recognition, and provides a basis for the selection of experimental reference electrodes for face recognition.

Key words: electroencephagraph, reference electrode, N170, face recognition, source localization, right frontal lobe, prefrontal lobe, face stimulation, the National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R444

王毅, 黄华, 赖虹宇, 张军鹏. 参考电极对面孔识别事件相关电位成分的影响[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(18): 2909-2914.

Wang Yi, Huang Hua, Lai Hongyu, Zhang Junpeng. Influence of reference electrode on face recognition event-related potential components[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(18): 2909-2914.

图/表（结果） 5

2.1 潜伏期和幅值统计统计结果见表1。就潜伏期而言，3种参考方案下，陌生人脸诱发产生的N170潜伏期都比扰乱人脸诱发产生的潜伏期短。并且对于这3种参考方式，陌生人脸与扰乱人脸诱发事件相关电位数据间的N170潜伏期差异无显著性意义(平均参考：F=3.71，P > 0.05；左耳参考：F=0.18，P > 0.05；零参考：F=0.20，P > 0.05)；就N170幅值而言，3种参考方案下，陌生人脸刺激诱发产生的N170幅值都比扰乱人脸诱发的幅值更大。并且对于这3种参考方式，陌生人脸与扰乱人脸数据间的N170幅值比较差异有显著性意义(平均参考：F=7.70，P < 0.05；左耳参考：F=6.32，P < 0.05；零参考：F=7.75，P < 0.05)。图2A为陌生人脸诱发的事件相关电位波形图，图2B为扰乱人脸诱发的事件相关电位波形图。结果表明，仅仅从N170潜伏期和幅值的统计结果来看，3种参考下得到的结果相近，不能判断何种参考下得到的数据更好，还需要进一步在源层面进行分析。

2.2 头皮电位拓扑学图3分别给出了平均参考、左耳参考和零参考电极方式下陌生人脸和扰乱人脸诱发产生N170波段的头皮电位拓扑图(见图3A，B)和头皮统计学参数映射结果(见图3C)。陌生人脸诱发的头皮电位地形图分布模式在3种参考电极方式下是相似的，活动强度较大的脑区位于大脑两侧颞叶区域、顶叶区域和前额叶区域(见图3A)；同样，扰乱人脸诱发的头皮电位地形图在3种参考下的分布方式也是类似的，活动强度较大的脑区为双侧颞叶区、顶叶和前额叶区(见图3B)；对16名受试者在N170波段，陌生人脸和扰乱人脸诱发头皮脑电所有通道上做配对t 检验结果，3种参考下得到的SPSM结果存在较大差异(见图3C)，从图3C可以看出，平均参考方式下得到的结果显著性差异区域集中在中央区域和右枕颞叶区，左耳参考下显著性差异集中在中间分布，零参考下显著性差异集中在前额叶区和右枕颞叶。这些结果表明，虽然头皮电压拓扑是无参考的，但是由于参考电极选择引起的电压幅值的改变会影响试验的结果。

2.3 源定位分析结果源定位结果见图4。图4A，B分别给出了由陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位逆推计算出的N170波段大脑皮质功能活动区域活动源分布情况。图4C为陌生人脸刺激源定位结果减去扰乱人脸源定位结果，得到两类源的差值图。从上图4A，B可看出，活动源主要分布于双侧的枕颞区，大脑右侧颞叶区的活动强度要高于左侧颞叶区，且陌生人脸刺激下的枕颞叶区活动强度要高于扰乱人脸刺激下的活动强度。从图4C可看出，陌生人脸在双侧颞叶区域诱发的脑电活动强度要大于扰乱人脸的脑电活动强度。图5是脑电源之差(图4C)正演得到头皮的电位地形图，从图5中可以看出大脑在两类刺激下的活动源差异主要分布在右颞区域和前额区域。

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引言

脑电图(electroencephalogram，EEG)具有优异的时间分辨率，是人脑神经电生理活动在大脑皮质的总体反映，已经被广泛应用于各类大脑疾病的诊断以及脑功能的研究中^[1]。脑电图记录的是头皮两电极点之间的电压，其中一个点作为参考点，另一个点作为被测量的活动点^[2]。理想的参考电极点是零电位点或恒电位点，由于人体上没有这样的理想电位点，选择头表上任何位置作为参考电极点都不可避免地会影响脑电测量^[3]。脑电图波形、头皮电位地形图、功率谱、脑电图相干性和头皮统计学参数映射都可能会因为参考电极选择不同而发生改变^[4]。即使在同一个实验中，选择不同的参考电极方式会得到不同的脑电图数据，从而可能得出不同的实验结论^[5]。参考电极方式的选择对于获取真实脑电数据、得出正确实验结果至关重要^[4，6]。文章将研究参考电极对脑电图成分的影响。

事件相关电位是研究大脑认知活动的一项重要技术，通过重复施加外界刺激并要求研究对象参与其中，可以从中探测大脑在处理一些复杂认知任务时的机制，在认知神经科学中得到了广泛的应用。为了减少参考电极对事件相关电位的影响，研究人员提出了一系列脑电图参考电极方式，如平均乳突参考、平均参考、顶点参考、左耳参考。在事件相关电位研究中，最常用的参考电极方式为平均参考，它使用所有电极通道的平均值作为参考。有研究发现，目前使用的这些参考电极方式都不可避免地引入一些未知的虚假波动，破坏了真正的脑电信号^[7-8]。零电位点或恒电位点是解决使用体表点作为参考电极固有问题的理想选择。从理论上看，一个远离脑源的无穷远处的点可以作为理想的零参考电极点^[9]。Yao^[2]提出了一种“参考电极标准化技术”，也称为“零参考”，该方法通过软件的方式可以将以大脑或体表任何位置作为参考电极采集的多通道脑电、事件相关电位进行转换，得到以无穷远处零电荷点作为参考电极采集到的脑电数据。作者推测在面孔识别实验中采用零参考电极方式不会引入未知的波动和干扰，可以得到更加准确、真实的脑电图。

为了验证零参考下得到脑电图数据更加真实，文章从事件相关电位的N170潜伏期和幅值，头皮电压拓扑图和源定位等角度，比较分析平均参考、左耳参考和零参考电极方式下得到的各项实验结果。N170是在面孔刺激呈现后的130-200 ms记录到的并在160-170 ms时达到峰值的一种脑电负成分，研究者们认为N170是视觉认知过程中一个相当重要的成分，尤其是对于针对人脸信息的认知加工，被用在很多人脸识别的实验中^[10-12]。总的来说，文章从统计学角度比较分析平均参考、左耳参考和零参考3种参考方式下由陌生人脸和扰乱人脸诱发事件相关电位的N170潜伏期和幅值；从拓扑学角度来计算平均参考、左耳参考和零参考下视觉刺激因子诱发事件相关电位的N170波段的头皮电位拓扑图和源定位的分布模式。之后，计算出两类刺激下脑电图的源定位以及两者之差，最后将差异源正演成头皮电位拓扑图，并将其作为各种参考方案下头皮统计学参数映射结果的比较标准。头皮统计学参数映射分布情况与由活动源正演到头皮的电位拓扑图分布模式越相似，则表明该参考方案下得到的脑电图数据更接近真实。通过比较平均参考、左耳参考和零参考下的头皮统计学参数映射结果与最终的头皮电位拓扑图，可以得出实验结论。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计面孔识别相关实验参考电极的选择。

1.2 时间及地点试验于2016年10月至2018年3月在四川大学完成。

1.3 对象

1.3.1 被试使用的脑电图数据来自国际公开数据库Open fMRI中的多模态人类神经影像数据集(数据网址为：https://openfmri.org/dataset/ds000117/)^[13]。试验组从MRC认知与脑科学部门招募了19名正常或矫正视力正常的健康被试(11男，8女；年龄23-37岁)。所有被试中，除了一位在英国生活多年的亚洲人外，其余都是高加索人^[13]。该数据采用知识共享署名国际许可协议4.0授权(协议网址查看地址：http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)。数据集中的神经影像数据和提供的图片数据被公开授权，研究人员可以根据自己的研究内容进行使用。

1.3.2 视觉刺激因子试验的视觉刺激因子分别为陌生人脸和扰乱人脸。陌生人脸中男女性别各占一半，涵盖了广泛的发型、表情和方向等，并对所有图像都进行了匹配和裁剪，只显示脸部。扰乱人脸是由相同刺激数量的陌生人脸乱码产生，具体而言，通过对面部图片进行二维傅立叶变换，置换相位信息，然后逆变换回图像空间来对它们进行扰乱，最终将其匹配成与原图片形状和大小相似的刺激图片，视觉刺激因子见图1。

1.4 方法

1.4.1 视觉刺激试验在试验过程中，被试者坐在一个明亮而安静的磁屏蔽室内。刺激图片呈现在背景颜色为黑色的显示器上，被试者眼睛到显示器的距离为1.3 m，水平和垂直视角分别为3.66°和5.38°。在试验过程中被试者将接受一系列实验刺激序列。在每个刺激序列内，当显示器上呈现“+”光标时表示实验开始，“+”光标在显示器上呈现的时间为400-600 ms，之后将出现陌生人脸或扰乱人脸视觉刺激因子，单次刺激因子在显示器呈现的时间为800-1 000 ms，且两种不同的刺激因子是以相同的概率随机呈现。图1给出了一个试验刺激呈现的时间表。被试者被要求在整个试验中集中注意力，并尽量不要在呈现十字准线或刺激期间眨眼。单次实验时间长度设置为7.5 min，每个被试均进行了6次数据采集实验。

1.4.2 数据记录与预处理试验数据记录采用70通道的Easycap脑电图电极帽记录头皮脑电图信号。头皮电极位置是Fpz，AFz，Fz，FCz，Cz，CPz，Pz，POz，Oz，Iz，FP1 / 2，AF3 / 4/7/8，FC1 / 2/3/4，FC，FT7 / 8 / 9/10，C1 / 2/3/4/5/6，T7 / 8，CP1 / 2/3/4/5/6，TP7 / 8/9/10，P1 / 2/3/4/ 6/7/8/9/10，Po3 / 4/7/8/9/10，O1 / 2/9/10。脑电图信号的采样频率为1 100 Hz，并用高密度放大器将信号放大。脑电图参考电极放置在鼻子上，两组双电极分别用于测量垂直和水平眼电(VEOG和HEOG)，另一组位于左下肋骨和右锁骨的电极用于测量心电(ECG)。

试验数据预处理在MATLAB平台下采用事件相关电位分析软件Brainstorm进行离线处理。具体步骤为：①将原始数据进行参考电极转换，选用的参考电极方式为平均参考方式；②对事件相关电位进行滤波处理，获得频段在0.1-32 Hz范围之间的数据；③去除数据中的伪迹，主要包括眼动、眼电、心电等对事件相关电位的干扰；④将事件相关电位分段以获得陌生人脸和扰乱人脸刺激序列下的事件相关电位段(epoch，-100-800 ms)；⑤对事件相关电位数据进行基线校正。在预处理后，将每名被试在陌生人脸刺激和扰乱人脸刺激序列下的6次试验的事件相关电位数据分别进行算数叠加平均，处理后得到每名被试者由陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位数据各一段。

按以上步骤，采用brainstorm和零(www.neuro.uestc. edu.cn/rest)参考工具包对原始数据进行离线处理，分别将参考电极方式转化成左耳参考和零参考，其余步骤按上述数据预处理流程进行处理。数据处理过程中去除了3名数据不稳定的被试者，最后该研究只使用了16名被试的数据。最终得到平均参考、左耳参考和零参考下由陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位数据各16段。

1.4.3 数据分析主要研究不同参考电极方式对面孔识别实验中脑电图的影响。在统计层面，分析了由陌生人脸和扰乱人脸所诱发事件相关电位数据的N170波段。N170波为视觉刺激呈现后150-180 ms之间在枕颞叶区诱发产生的一个负波，波幅大约在170 ms时达到最大值^[14]。不同类型的视觉刺激在枕颞叶区域诱发产生的N170潜伏期和幅值具有显著性差异^[15-16]。文章对平均参考、左耳参考和零参考方式下，在枕颞叶区域采集到的事件相关电位进行N170潜伏期和幅值分析。采用的方法为单因素方差分析，单因素方差分析的因素为视觉刺激因子，水平为陌生人脸和扰乱人脸。统计分析使用IBM SPSS Statistics 20进行，零假设排斥水平设定为0.05，通过FDR校正P值以避免多重比较。

不能仅根据N170潜伏期和幅值在统计上的显著性差异大小来判别各种参考方式的优劣。文章又进一步作了头皮电位拓扑图分析。具体步骤为：①将3种参考下所有被试由陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位数据段分别叠加平均，得到平均参考，左耳参考和零参考下陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位数据各一段；②分别提取不同参考条件下N170波段的数据，最后将其映射到头皮表层便得到N170的头皮电位地形图。地形图可表示大脑皮质活动水平，单位为μV；③将3种不同参考方式下16组由陌生人脸和扰乱人脸诱发的事件相关电位数据段做配对t 检验，得到关于各个通道的配对t 检验结果。最终得到的平均参考，左耳参考和零参考下头皮统计学参数映射统计结果表示2种刺激因子下大脑皮质电位活动有显著性差异的分布模式图。t 检验参数设置为：以P < 0.01为差异有统计学意义，校正方式为FDR。

为了进一步确认零参考下的头皮统计学参数映射结果的合理性，文章采用Minimum Norm(MN)算法对陌生人脸和扰乱人脸诱发的脑电图进行源定位。首先，计算出每个试者的3-shell sphere头模型，各层的导电率采用Brainstorm软件中的默认值，Brain，Scalp，Skull的电导率分别为0.33，0.004 2，0.33；然后，在头模型上采用Current density map逆推方法重建确定15 003个分布于大脑皮质的偶极子。在逆推模型中，采用默认参数调整正则化水平以稳定源定位结果。源定位结果显示各部分网格内的电流密度值，用以表示大脑皮质活动水平，单位为 pA·m。源定位结束后，将N170峰值周围20 ms的时间窗内的活动源进行平均，得到陌生人脸和扰乱人脸刺激下的大脑活动源分布。

将两类刺激下的活动源相减得到大脑对不同刺激响应的差异分布图。将陌生人脸刺激与扰乱人脸刺激下N170波段的源定位之差正演成头皮脑电，并以头皮脑电拓扑图的形式显示出来。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

文章从统计学和头皮电位拓扑学角度比较分析了平均参考、左耳参考和零参考电极对面孔识别事件相关电位成分的影响。统计结果显示，平均参考、左耳参考和零参考电极方式下，陌生人脸诱发的N170都比扰乱人脸诱发的N170有更短的潜伏期和更大的幅值。拓扑结果显示，零参考条件下得到的头皮统计学参数映射结果与脑内真实活动源分布模式一致。统计结果和拓扑结果表明零参考下的得到的数据最真实，印证了假设的正确性。

N170是反映人脸结构信息的事件相关电位成分，且N170不受视觉刺激因子性别、空间频率信息或其他因素影响^[17-18]。统计结果证实了N170潜伏期和幅值受面孔结构信息影响，具有丰富结构信息的陌生人脸与缺乏结构信息的扰乱人脸相比，潜伏期更短，能够更早地引起人的注意，且诱发的N170幅值更大^[19]。并且，在3种参考方式下都得到了相同的结果，陌生人脸和扰乱人脸的N170潜伏期间不存在显著性差异，陌生人脸和扰乱人脸N170幅值之间存在显著性差异，并且与平均参考相比零参考下N170有更短的潜伏期和更小的N170幅值，这与此次研究方向最新研究成果一致^[20]。试验选择3种不同参考电极方案会得到3组不同的实验结果。这是因为使用头皮记录作为参考，会将自己的生理动态信号带入脑电信号，从而会从时间和空间两方面影响脑电图信号^[6]。而N170潜伏期作为事件相关电位分析的重要指标，选用不同的参考电极方案会导致实验得出不一样的实验结果，这一现象是值得注意的。

图3A，B为平均参考、左耳参考和零参考方式下陌生人脸和扰乱人脸的N170波段的头皮电位拓扑图，结果表明3种参考方式下拓扑图的分布模式相似。这与图4A，B所示的源定位结果分布模式一致。对于脑电图的源定位不会受参考电极方案选择的影响，即脑电图的逆问题不会随参考电极方式的选择二发生变化^[21]。不论采取何种参考电极方案，脑内的活动源和头皮电压分布模式是相同的，这样，可以根据脑内的真实活动源分布作为比较不同参考电极效果的客观比较标准。对于陌生人脸或扰乱人脸，N170时刻的源定位结果显示活动脑区为双侧的颞叶区域，且大脑右侧颞叶区域的活动强度要明显高于左侧的枕颞叶区，证实了左脑主要用于加工细节性的信息，而右脑更善于处理面部全局性性的信息^[22-23]。图3C为头皮统计学参数映射结果，不同参考方式得到的头皮统计学参数映射结果表现出较大的差异。并且通过比较图5和图3C，可以看出零参考下的头皮统计学参数映射结果与图5的分布模式最为一致，在2种刺激下存在差异的脑区位于大脑右侧的颞叶区域和前额叶区域，与以往从FMRI和仿真角度得到的研究结果一致^[24-25]。而平均参考与左耳参考得到的结果都扭曲了脑内活动源差异分布结果，平均参考方式虽然可以揭示右侧颞叶区存在的显著性差异，但是不能反映出大脑在受人脸图和扰乱人脸刺激时脑前额叶区域活动存在的显著性的差异。左耳参考方案得到的头皮统计学参数映射结果可以反映大脑在前额叶区域的活动差异，会遗漏脑右侧颞叶区域的活动源的显著性差异。

综上所述，文章比较分析了平均参考、左耳参考和零参考这3种参考电极方式对面孔识别事件相关电位成分的影响。试验结果表明，使用不同的参考电极方案会得出不同的试验结果。零参考下得到接近真实的脑电图数据，能得出反映大脑对两类视觉响应差异的空间分布情况的头皮参数统计图。平均参考和左耳参考使脑电图数据发生扭曲，从头皮参数统计图中也不能正确显示在大脑右侧颞叶区和前额叶区存在的显著性差异。此次研究对面孔识别实验参考电极方式的选择有重要的指导价值，并且有助于加深对面孔识别N170成分的认识。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

参考电极对面孔识别事件相关电位成分的影响

Influence of reference electrode on face recognition event-related potential components

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