ERP画像の背景

ERP画像の表示方法は、ERP画像のチュートリアルを参照してください。

ERPとERP画像

電気生理データ解析では、1次元のイベント関連電位(ERP)平均を調べる方法が広く使われてきました。ただし、平均ERPを構成する単一試行EEGには、同じようなERP波形を生み出しうる複数の要因が含まれます。たとえば、ERPの大きなピークは、1つの不良試行、全試行に共通する同時刻のパワー増加、または各試行では目立たない位相同期によって生じることがあります。観察されたERP効果の原因をよりよく理解するために、EEGLABではデータエポックを試行ごとに見るための多様なERP画像表示を利用できます。

ERP-imageプロットは、イベント関連データエポックを2次元(時刻 x エポック)で表示する、ERP平均より一般的な方法です。エポックを反応時間、刺激提示時のアルファ位相などの関連する基準で並べ替え、必要に応じて隣接試行方向に平滑化し、最後に値を色で表して画像化します。平均ERPが1つの形に集約されるのに対し、単一試行群から作れるERP-imageの種類はほぼ無限です。試行データは任意の順序で並べ替えられ、試行空間の任意の経路に沿って画像化できます。ただし、どの並べ替え順序でも同じように脳ダイナミクスを理解できるわけではありません。どのERP-imageプロットを検討するかはユーザーが判断します。デフォルトでは、試行は実験中に出現した順序で並びます。

ERP-imageプロットは、誤解または過剰解釈されやすい点にも注意が必要です。たとえば、ある周波数の位相で並べ替えると、同じデータに含まれる別の周波数の振動現象を見落とすことがあります。1次元ERP時系列を解釈するときと同様に、2次元ERP-imageが示す証拠を、検討したい仮説に照らして適切に重みづけし解釈する責任があります。

ERP画像の作成

下の図(ERP画像そのものではありません)は、ERP-imageプロットの作成過程を説明しています。単一試行の活動を、電位をトレースの高さで表す左から右への波形として描く代わりに、各時点の電位値を色で表した横線として表示します。たとえば次の画像では、3つの単一試行エポック(青いトレース)が、3本の色付きの線として表現されます。

データセット内のすべての試行について、これらの色付き時系列を縦に積み重ねると、ERP画像が得られます。

ERPはEEGの部分的な位相同期によって生じるのか?

(部分的な)位相同期だけで生じる「純粋な」場合には、次のようになります。

関連する周波数帯のEEGパワーは、刺激後区間で一定のままです。
ERPが生じている期間のITCは有意ですが、1未満です(完全な位相固定ではありません)。

この例では、上の図は刺激後のアルファ帯域ITCの有意な増加を示しており、同時にアルファパワーにも小さい(ただし有意ではない)増加が見られます。一般にERPは、進行中活動の部分的な位相同期と、刺激に関連したEEGパワーの増加または減少が組み合わさって生じる可能性があります。

ERP-imageプロットで位相並べ替えの結果を過剰解釈しないことが重要です。たとえば、次のMATLABコマンドは、ガウス白色ノイズから256個の1秒エポックをシミュレーションし、12 Hz以下に低域通過フィルタをかけ、その結果を10 Hz位相で並べ替えたERP-imageプロットとして描画します。図は、実際にはノイズであるデータの中に、時間的にコヒーレントな10 Hz活動があるかのように見えます。しかし、ERP-imageの下にある中央の振幅パネルを見ると、シミュレーションした10 Hzの振幅はエポックを通して有意には変化していません。さらに最下段のパネルは、試行間コヒーレンスもどこにも有意ではないことを示しています。これは、ERP画像中央の10 Hz波面がまっすぐな斜め線として見えることからも確認できます。

% Simulate 256 1-s epochs with Gaussian noise
% at 256-Hz sampling rate; lowpass < 12 Hz
data = eegfilt(randn(1,256*256),256,0,15);

% Plot ERP image, phase sorted at 10 Hz
figure;
erpimage(data,zeros(1,256),1:256,'Phase-sorted Noise',1,1,...
 'phasesort',[128 0 10],'srate',256,...
 'coher',[10 10 .01], 'erp','caxis',0.9);

上記のような白色ノイズのエポックに、各試行へ厳密に時間固定された「ERPらしい」一過性成分を加えると、位相並べ替えERP-imageプロットには、まっすぐな斜め波面ではなくシグモイド状の波面が現れます。同じデータに対する2つの解釈、つまり「ランダムEEG + ERP」と「EEGの部分的位相リセット」は、どのように区別できるでしょうか。シミュレーションした1チャネルデータでは、その区別はできません。どちらも同じデータを見る等しく妥当な方法だからです。結局、シミュレーションされたデータ自身には、それがどのように作られたかの痕跡は残りません。実験者の頭の中には残っているとしてもです。

実データでは、どちらか一方、または両方の解釈を支持する収束的な証拠を用いる必要があります。部分的位相リセットモデルは、EEGの物理的発生源(部分的に同期した局所場)が、平均ERPの特徴の発生源または寄与源でもありうる、という考えから始まります。この仮定は、ERP特徴とEEG活動の頭皮上分布を調べることで強められたり弱められたりします。ただし、ここでも単純なテストだけでは十分でないかもしれません。1つの電極(または電極対)で記録されたEEGと平均ERPには、多くの皮質発生源が寄与している可能性が高いからです。ERPの特徴は、EEG発生源の1つだけの部分的位相リセットによるものかもしれませんし、試行間で潜時と極性が固定された本当に「ERPらしい」変動、潜時が試行間で変化する単極性の「ERPらしい」変動、または多数のEEG過程の部分的位相リセットなど、複数の寄与を含むかもしれません。これらの可能性を切り分けるには、単一試行データ全体に対する詳細な時空間モデリングが必要です。実データセットでの議論については、Makeig et al. (2002)を参照してください。この論文では、アルファおよびシータ周波数での位相リセットが、記録されたERPの主な原因であることが示唆されました(少なくとも示された頭皮部位POzでは)。上の図のERPとはどのように異なるでしょうか。

Makeig et al. (2002)の論文は非ターゲット刺激を扱っています。一方、このEEGLABサンプルデータセットでは、同じ実験の1被験者から得たターゲット刺激に時間ロックしたエポックを使用しています。位相同期は、刺激タイプによって異なる可能性があります。また、論文の解析は15名の被験者と数千試行に対して行われていますが、ここでは1名の被験者から80試行のみを解析しています。ここで示すサンプルデータはチュートリアル目的のものです。これらの実験におけるターゲット反応の完全な報告を現在準備中です。