EEG参考电极如何影响运动准备电位？

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之前曾推送的一篇题目为《EEG参考电极方法对ERP成分的影响》的文章，研究者详细地研究了不同的EEG参考电极方案对脸部识别ERP成分N170的影响。碰巧的是，笔者最近又看到一篇相似的研究论文，该论文同样发表在《Frontiers in Neuroscience》杂志上，主要对EEG参考电极如何影响运动准备电位（Readiness potential, RP）进行了研究。在本文中，笔者对这篇论文进行简单的剖析，建议大家在阅读本文后，重新阅读下《EEG参考电极方法对ERP成分的影响》。总之，通过这两篇论文的解读，笔者希望大家对EEG参考电极方案选择问题引起足够的重视。

实验方案及数据分析

1.实验方案。10名健康被试执行如图1所示的实验：实验以一个白色十字开始，指示被试放松手以及手臂（idle state），3s后出现箭头指示被试准备做左手还是右手运动，接下来是2s的运动准备时间（RP state），接下来被试依据指示做左手或右手运动，最后声音刺激指示被试回到idle state；实验过程中，采集58通道EEG信号，EEG参考电极位于Cz-CPz之间，并同时采集左右手臂的肌电EMG信号。

图1

1. 数据预处理和分析。EMG信号和EEG信号用EEGLAB工具包进行处理，EMG信号主要用于确定运动启动的准确时间；

EEG信号的预处理包括滤波、重参考、去除噪声、分割等标准的流程，其中重参考步骤利用2种参考电极方案对EEG数据进行转换，这2种EEG参考电极方案是：平均参考（common average reference，CAR）和参考电极标准化技术（Reference Electrode Standardization Technique，REST)。其中REST参考方法是电子科技大学尧德中教授团队提出的（www.neuro.uestc.edu.cn/rest）。这样的话，加上原始EEG信号采集时的参考（参考电极放置在Cz-CPz之间，称之为Cz-REF），相当于有3种RP信号（分别对应3种参考方案）。

该文章主要从以下3个方面研究了不同EEG参考电极方案对RP的影响：

1）RP的波形；

2）不同EEG参考电极方案下RP的电压地形分布图；

3）研究不同EEG参考电极方案对idle state和RP state的分类精度的影响：以运动启动前[−2.8 s, −2.2 s]和 [−0.6 s, 0 s]的时域信号分别作为idle state、RP state的特征，利用SVM进行分类。

主要结果

1. 不同电极参考方案对RP波形的影响。结果如图2所示，从图中可以得出如下结果：1）在Cz通道，Cz-REF参考下的RP信号非常小，几乎是一条直线，而CAR和REST参考下的RP信号非常明显（图2中第1行）；2）对于C1，C2，FC1，FC2通道，Cz-REF参考下的RP信号幅度同样小于CAR和REST参考下的RP幅度；3）尽管CAR和REST参考下的RP信号幅度很相似，但是REST参考下的RP幅度似乎要稍大于CAR参考下的RP幅度。

图2

2.不同电极参考方案对RP电压地形图的影响。结果如图3和图4所示，从图中可以得出如下结果：1）3种参考电极方案下的激活脑区很相似；2）与其他两种参考电极方案相比，Cz-REF参考电极方案没有表现出明显的脑区激活，特别是在初级运动皮层；3）REST和CAR两种电极参考方案的结果很相似。

图3（左手运动的RP电压地形图）

图4（右手运动的RP电压地形图）

1. 不同电极参考方案对idle state和RP state分类精确度的影响。结果如图5所示，对于3种电极参考方案来说，平均的分类精确度分别为88.41%(CAR), 87.35% (Cz-REF), 88.91% (REST)，但是3种电极参考方案的分类精确度之间并无统计学差异。

图5

总结

总之，该论文的研究结果表明，不同的EEG电极参考方案会显著影响RP的波形以及电压地形分布图，并且与Cz-REF相比，CAR和REST电极参考方案效果更好。