ERP的神经机制：诱发模型还是相位重排模型？，本文主要内容关键词为：模型论文,相位论文,神经论文,机制论文,ERP论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号 B841.1
1 引言
外部的物理刺激或内在的认知活动会引起脑电信号（electroencephalogram,EEG）发生相应的事件相关变化。在相同触发事件的刺激下，将若干次刺激记录得到的脑电活动（注：后文用single trial表示单次刺激记录得到的脑电活动）以触发时刻为基准进行时间对齐、叠加、平均，可获得事件相关电位（event-related potential,ERP）。ERP具有精确的时间分辨率，对研究感知觉以及更高级的认知活动具有非常重要的意义。
ERP的神经机制长期以来存在争议。传统观点认为，ERP是触发事件诱发的、波形和潜伏期恒定的诱发响应，该诱发响应与背景脑电活动相互独立，即诱发电位是线性叠加在背景脑电信号之上的。这一强调外加电位的独立性以及线性加和性的ERP神经机制称为“诱发模型（the evoked model）”。通过“叠加平均”提取ERP的方法即隐含了诱发机制的假设：ERP是由某触发事件诱发的，潜伏期及相位恒定的神经电活动，该诱发电活动淹没在脑电信号形成的“背景噪声”中。脑电信号可看作由各种节律成分（如alpha、beta、theta、delta等）的周期性振荡叠加而成。脑电振荡与触发事件无关，且single trial之间相位随机，叠加平均处理使背景脑电信号趋于零电位，而与触发事件具有锁时锁相关系的诱发电位则凸显出来。
诱发模型是经典的ERP神经机制，受到Hillyard等（1985）大部分学者的支持。然而越来越多的研究表明，ERP的许多特性并不能完全由该理论得到解释。Sayers等早在1974年分析听觉诱发电位时就发现，诱发模型不能解释不同强度的听觉刺激引发的ERP结果：相反，single trial在刺激发生后某时刻的相位对齐的程度与刺激强度之间存在良好的对应关系。作者推断，听觉刺激对自发的背景脑电节律振荡的影响可能主要是相位调控的（phase-control）。由此，ERP的“相位重排模型（the phase reset model）”被提出。该模型认为，触发事件（物理刺激或认知活动）的发生并不会诱发出一个独立于脑电信号的诱发响应电位，ERP产生于脑电信号的部分相位重排（partial phase reset），相位重排的发生时间与触发事件具有固定的时延。相位重排使脑电节律振荡信号（ongoing oscillations of EEG）与触发事件形成锁时锁相的关系，即single trial在刺激发生后的某一个固定的时段内同步性增强，将信号进行对齐、叠加、平均处理，同样可以得到ERP波形（参见图1）。
图1 ERP的诱发模型和相位重排模型示意图（修改自Sauseng et al.,2007）。（A）在没有触发事件的情况下，single trial之间为非锁相关系，叠加平均后得到零电位；（B）ERP的诱发模型认为，存在一个波形和潜伏期恒定的诱发响应电位，该诱发电位线性叠加在与之相互独立的背景脑电活动中，对single trial进行叠加平均，得到与触发事件锁时锁相的诱发响应，即ERP；（C）ERP的相位重排模型认为，并不存在一个外加的诱发响应电位，ERP产生于背景脑电节律振荡的相位重排，相位重排使脑电振荡信号与触发事件形成锁时锁相的关系，对single trial进行叠加平均，即得ERP。
近年来，许多研究者利用理论推导（Tass,2000）或实验结果支持ERP的相位重排机制。他们认为，ERP至少在一定程度上（如果不是完全地）产生于脑电节律振荡的相位重排（Basar,1999a,b）。同时，不断有学者提出反对意见，认为目前对相位重排模型有利的实验证据存在理论或方法学上的缺陷，因此并不能严格地证明该模型的成立（Sauseng et al.,2007）。本文对ERP神经机制的上述争论进行综述，并提出可能的解决方案。
2 相位重排模型
当非线性振荡系统受到扰动时（例如受到刺激时），各子系统时常发生非线性共振，导致相位重排。相位重排现象在生物系统中很常见，例如心脏室颤及电击除颤的过程就是典型的相位重排的过程。在ERP的相位重排理论中，ERP被认为是触发事件和脑电节律振荡之间发生非线性相互作用的结果。相比于传统的诱发模型，相位重排模型是近年研究的热点，也是本文综述的重点。本部分首先介绍相关的实验研究，再针对这些研究提出的证据进行评述。
2.1 代表性研究
支持ERP相位重排机制的研究以Makeig等（2002）的实验最有代表性。Makeig作为开放性脑电分析软件EEGLAB（Delorme & Makeig,2004）的主要开发者之一，利用先进的时频分析技术对EEG/ERP的各种信号特征进行分析。实验采用视觉选择性注意范式，主要得到以下结果：1）经过叠加平均提取出的ERP与single trial具有相似的频谱特性，暗示ERP与EEG的神经机制相关；2）计算上述两种信号的时频能量分布，发现当ERP能量在alpha频段（10 Hz左右）显著增加时，single trial在alpha频段的能量改变并不明显。这一结果说明可能并不存在一个所谓的独立“诱发电位”线性地附加在背景脑电振荡信号之上，否则脑电能量会在事件发生后出现短暂的升高；3）分析single trial之间的相位同步性，发现alpha节律的脑电振荡在触发事件之后200 ms左右发生明显的相位对齐（时间上对应于ERP的N1成分），从数学上证明该时期脑电节律振荡发生了相位重排；4）对所有的single trial，按照0～300 ms时间段的alpha频段能量进行排序（0 ms为视觉刺激出现时刻），则能量最大的1000个single trial经过叠加平均得到明显的N1成分（N1峰值大于10 μV），而能量最小的1000个single trial的叠加平均结果则几乎没有N1（N1峰值小于1 μV）。如果ERP的神经机制为诱发模型，即一个波形固定、独立于背景脑电振荡的电位叠加在所有的single trial中，则采用不同的single trial子集进行叠加平均，所提取的ERP应大致相同。该实验结果说明，ERP的N1成分可能是脑电alpha节律振荡通过部分相位重排产生的。Penny等（2002）高度评价了Makeig等研究的意义，称该研究从完全不同于常规方法的角度，得到了ERP相位重排模型的有力证据，进而可能改变我们对感知觉及认知过程脑机制的理解。
近年来一个跨国合作组对ERP的相位重排机制进行了较深入地研究，其主要成员包括澳大利亚的Sauseng,Klimesch和Gruber，以及德国的Hanslmayr。Hanslmayr等（2007）研究了视觉特征辨别任务下的ERR，主要结果为：1）alpha频带（9 Hz～10 Hz）和delta频带（2 Hz～4 Hz）在刺激发生后120ms左右发生了相位对齐，即与刺激发生前的随机相位相比，single trial之间的相位分布明显偏离了均匀分布；2）通过叠加平均获得的ERP波形中，几个主要的正成分（P1、P2、P3）以及负成分（N1等）形成了一个类似于alpha节律的振荡，相邻P波之间的距离约100 ms，即振荡频率约10 Hz。同时，ERP时频分布图中存在alpha频带的能量峰。该结果说明ERP与背景脑电振荡的alpha节律具有相似的频谱特性；3）未发现脑电节律振荡（主要表现为alpha节律）在刺激后出现能量的增加，相反，结果显示alpha节律的能量在刺激出现后降低了；4）采用LORETA（Pasqual-Marqui et al.,1994）溯源，发现触发事件发生前的脑电alpha节律的源与ERP的源重合，提示二者在头皮上的波形可能由相同的神经元群产生。Hanslmayr等在信号模拟实验以及上述真实实验结果的基础上得出结论，认为相位重排参与了ERP的生成，诱发模型不是唯一的ERP的神经机制。Klimesch等（2004a,b）的研究除了证实上述Makeig等（2002）和Hanslmayr等（2007）提供的证据外，还提出了其他的ERP相位重排证据。在记忆任务中，Klimesch等发现ERP的P1成分的潜伏期与被试个体的alpha节律呈负相关，即个体alpha频率（individual alpha frequency,IAF）越高，P1的潜伏期越短（注：alpha节律谱峰在个体间存在差异，取值在8 Hz～12 Hz范围内呈正态分布）。该结果说明ERP的P1成分同背景脑电振荡的alpha节律密切相关，ERP和脑电节律振荡不是两种独立的神经电活动。
Mazaheri和Picton（2005）的研究从信号能量关系的角度为ERP的相位重排机制提供了重要证据。已知在视/听目标辨识任务中，存在明显的脑电theta节律的“事件相关同步化（event-related synchronization,ERS）”（注：ERS即触发事件发生后背景脑电某节律电活动的能量增强，但不伴随single trial之间明显的相位对齐，ERS由Pfurtscheller于1992年提出）。如果ERP仅由诱发机制产生，则脑电能量可看作相互独立的诱发电位能量以及背景脑电节律振荡能量的线性加和。Mazaheri和Picton发现，实验中theta节律在ERS过程中表现出的能量增加在时间轴上对应于ERP的P300成分。假设诱发模型成立，当将诱发电位的能量（即ERP的能量）从脑电总能量中（即single trial的能量中）减去之后，剩下的theta频带的脑电节律振荡表现为“事件相关去同步化（event-related desynchronization,ERD）”（注：ERD即触发事件发生后背景脑电某节律电活动的能量减弱，但不伴随single trial之间明显的相位对齐，ERD由Pfurtscheller于1977年提出）。该相减运算的结果与实验观察到的theta节律ERS矛盾。这一现象提示，部分theta节律电活动受事件的触发而发生相位重排，形成ERP的P300成分。因此ERP的能量和背景脑电节律振荡的能量不是线性相加的，二者能量的非线性关系提示相位重排机制的存在。此外，Luu等（Luu & Tucker,2001; Luu et al.,2004）也通过研究ERP和脑电的能量关系，证明错误相关负波（error-related negativity,ERN）产生于脑电theta节律的部分相位重排。
在对ERP神经机制的研究中，不少研究者采用了“相位或幅度分类”的方法（phase/amplitude sorting）。所谓相位或幅度分类，是指在ERP出现之前，将single trial按相位、幅度或能量（能量即幅度的平方）进行排序，将排序后的single trial分为若干子集，对比分析各子集的信号经过叠加平均提取出的ERP。上述Makeig等（2002）的分析“4）”即采用了能量分类的方法。典型的相位或幅度分类的研究以Barry等（2000，2003，2004，2006，2007，2009b）的一系列实验为代表。研究者采用刺激间隔固定或随机的听觉oddball范式，让被试对目标刺激进行按键或不按键反应。实验研究alpha节律的背景脑电振荡在听觉刺激出现时的幅度或相位，与目标/非目标ERP的幅度或潜伏期等特性之间的关系。Barry等发现，为使大脑以一个更佳的状态对刺激进行处理，脑电alpha节律在听觉刺激发生时进行了自身的动态调节。刺激发生时alpha节律的幅度或相位不同，该动态调节的程度就不同，由此获得的ERP波形也发生相应的显著变化。该结果提示ERP与背景脑电振荡之间存在重要的动态交互作用，二者不是相互独立的。研究结果否定诱发模型的假设，支持相位重排模型。其他的采用“相位分类”方法支持相位重排模型的研究还有Brandt（1997）；采用“幅度分类”方法的代表研究为Jasiukaitis和Hakerem（1988），Price（1997），以及Brandt等（1991）。另外，ERP相位重排机制的主要支持者Basar等（Basar et al.,1998; Karakas,Erzengin & Basar,2000）也采用类似于“能量分类”的方法对实验进行控制，证明在视觉及听觉刺激的触发下，刺激前脑电theta频带及delta频带的能量与ERP的幅度和频率特性密切相关。
2.2 实验证据的小结与评述
综合Sauseng-Klimesch-Gruber-Hanslmayr研究组（Gruber et al.,2005; Hanslmayr et al.,2007; Klimesch et al.,2007; Sauseng et al.,2007）及2.1节所述其他研究者的观点，可将已有研究涉及到的ERP相位重排模型的主要证据概括为七点（下文编号E1-E7，E表示evidence），见表1。
理论上，满足E1-E7的实验结果为ERP相位重排模型的支持证据，不满足则为相位重排的反对证据。然而由于信号处理方法的局限性以及自身概念混淆等原因，不断有学者对上述证据提出质疑（Makeig et al.,2004a; Yeung et al.,2004; Mazaheri & Picton,2005; Min et al.,2007; Ritter & Becker,2009;）。现对七个证据的含义和质疑分述如下。
E1 single trial之间发生“锁时相位汇聚”，这正是相位重排模型的主要含义。但该证据仅仅是相位重排模型成立的必要条件，满足E1并不能排除诱发模型成立的可能。
首先，将一个波形和潜伏期固定的“诱发电位”叠加到相位均匀分布的背景脑电振荡中，同样会引起single trial之间的相位汇聚。其次，确认相位分布在single trial之间是否具有集中趋势，通常采用PLI（phase locking index，相位锁定值，由Schack和Klimesch于2002年提出）、ITC（inter-trial coherence，单次刺激信号之间的相干性，由Tallon-Baudry等于1996年提出）等指标分析single trial在特定频带内的瞬时相位，其中滤波是计算的必需环节。滤波的实质是采用窗函数对信号进行卷积运算（注：窗函数通常为时间跨度有限的、左右波形对称的平滑波形，如余弦窗、高斯窗等，参见http://en.wikipedia.org/wiki/Window_function）。在诱发模型的理论框架下，背景脑电振荡中线性叠加了一个波形固定的诱发电位，该诱发电位经过卷积运算后，自身的频率和波形特性将被融入背景脑电信号，从而在背景脑电振荡中形成一个由窄带滤波引起的伪节律振荡（ringing artifacts of the narrow-band filtering）。由于各single trial均被叠加了相同的诱发电位，该伪节律振荡也会导致single trial间的相位汇聚。
E2 如果ERP由背景脑电振荡的相位重排产生，并不存在一个独立的诱发电位叠加到脑电之上，则ERP的出现不会伴随脑电能量的增加。但E2的成立同样不能排除诱发模型存在的可能。
首先，由于ERP的幅度通常比背景脑电振荡小很多，如果诱发电位叠加在背景脑电活动之上，南此引起的脑电能量增加未必能用现有的信号处理方法检测到。其次，触发事件时常使背景脑电振荡发生ERD，ERD引起的脑电能量降低很可能掩盖外加诱发电位引起的脑电能量的微小上升。
另外，如果实验结果不满足E2（即发现脑电能量增加），也不能排除相位重排机制。首先，如果背景脑电振荡发生ERS（例如前述2005年Mazaheri和Picton研究中的脑电theta节律），即使实验结果显示脑电能量的明显增加，也不能证明ERP是诱发机制产生的，因为此时的脑电能量增加可能单纯地由ERS引起。其次，从原理上分析，相位重排的实质是大量神经元群发放的电信号之间的同步性增强，该过程必然伴随着相互连接的各神经元的树突输入在一定时期内明显增强，从而引起宏观的神经电活动（即脑电）的能量增加。因此相位重排机制本身也可能引起脑电能量的增加（如Shah等2004年的实验结果所示，参见后文）。
E1与E2的结合是支持相位重排模型的常用证据，即相位汇聚的同时脑电能量不发生明显增加。例如2.1节所述Makeig等（2002）和Hanslmayr等（2007）均采用了E1＋E2的证据。又如Rizzuto等（2003）发现工作记忆任务伴随7 Hz～16 Hz的颅内脑电信号的相位汇聚，同时未发现脑电能量增加，提示认知任务引起脑电节律的相位重排。然而如上所述，仅当背景脑电振荡确实不受触发事件影响时，E1＋E2才能形成对相位重排模型的有力支持，然而已知脑电的ERD/ERS是普遍现象。
E3 该证据认为，如果触发事件发生前的背景脑电振荡的相位、幅度或能量等特性对ERP产生了影响，则ERP不能解释为独立于背景脑电振荡的诱发电位。通常证明这一结论的方法是，将所有single trial按照在ERP出现前的相位或者幅度进行排序、分组（phase/amplitude sorting），然后在每组中进行叠加平均求ERP。例如，以背景脑电振荡在触发事件发生时刻的相位为分类标准，在正相位组和负相位组分别求ERP，如果两个ERP波形差异明显，则说明背景脑电振荡的相位对ERP有影响，即ERP不是独立于背景脑电的诱发电位。
然而该证据在理论上存在自身的缺陷。将single trial按触发时刻的相位进行分组，会破坏“背景脑电振荡的相位均匀分布”这一假设，在具有相似相位的single trial子集内进行叠加平均求ERP，方法本身会引入非零的电位成分，即“伪ERP”。每组产生的“伪ERP”由于分组条件不同而不同。例如，正相位组得到的波形为正相位的伪ERP，负相位组则得到负相位的伪ERP。即使ERP由诱发模型产生，或者触发事件根本没有引发ERE通过上述phase/amplitude sorting方法的处理，“伪ERP”的组间差异仍然存在。加入控制组（即没有触发事件时的脑电信号），用实验组结果减去控制组结果（减法原则），即可消除“分组伪迹（sorting artifact）”。Kruglikov和Schiff（2003）采用E3＋控制组方法发现，ERP的P30和P50成分确实在各相位组存在明显差异，说明刺激呈现时刻背景脑电振荡的相位对ERP有影响，ERP与背景脑电不是独立的，即实验结果支持相位重排模型。与之相反，Risner等（2009）却用此改进的E3给出了支持诱发模型的证据（参见后文）。
另外，正如上述对E1的讨论，滤波处理引发的伪迹也使E3对ERP神经机制的判断含混不清。滤波过程是一个时域卷积的模糊过程，它使信号的时间分辨率降低。假如诱发模型是ERP的机制，即某独立的诱发电位叠加到背景脑电之上，经过滤波处理，背景脑电振荡的相位或幅度很可能在触发事件的发生时刻发生明显改变（虽然原理上诱发电位发生在触发时刻之后，但由于滤波的“时间轴模糊效应”，诱发电位会对触发时刻甚至触发事件发生前的脑电产生影响）。Yeung等（2004，2007）通过模拟数据证明，即使ERP的产生符合诱发模型，窄带滤波的影响也会使数据分析的结果符合E3。因此，即使加入控制组去除了“分组伪迹”，也可能在不同single trial子集提取出的ERP中出现由于滤波伪迹引起的差异。综上，E3容易得出相位重排模型的假阳性结论。
E4 ERP与背景脑电振荡具有相似的频谱是相位重排模型成立的必要条件。ERP频谱的计算需先将single trial叠加平均得到ERP，再进行傅立叶变换，而背景脑电振荡的频谱计算则需先分别对single trial进行傅立叶变换，再将结果叠加平均。E4的理论基础为：相位重排过程不改变信号的频谱分布。然而，如果线性叠加在背景脑电振荡之上的诱发电位自身具有与背景脑电相似的频率特征，则同样可使实验结果满足E4。因此该证据不能严格排除诱发模型的可能。
E5 诱发模型假设独立的诱发电位线性叠加到脑电振荡信号之上，因此用single trial（即总的脑电振荡信号）的幅度或能量减去诱发电位（即叠加平均提取的ERP）的相应值能得到“纯背景脑电振荡”的幅度或能量。E5的理论基础为：如果相减后的结果与相减前总的脑电振荡幅度或能量相比存在明显的减小趋势，则说明ERP对独立于背景脑电的诱发电位做出了过高的估计，即ERP波形中实际上含有背景脑电振荡的成分。例如2.1节中提到的Mazaheri和Picton（2005）的研究结果表明，当从脑电总能量中减去ERP的能量之后，theta节律即由ERS变为了ERD，这说明该实验提取的ERP含有背景脑电振荡的theta节律成分。实验结果满足E5说明ERP至少部分地来源于脑电活动的非线性机制，而背景脑电振荡的相位重排则是最有可能的非线性机制之一。
E6 该证据由Klimesch等（2004a,b）提出。由于脑电节律具有个体差异（例如有的个体alpha谱峰在12Hz左右，而有的个体为8 Hz左右），如果ERP由背景脑电振荡发生相位重排产生，则触发事件发生后，高频的alpha振荡进行相位重排、达到各single trial间相位同步的时间比低频的alpha振荡所需的时间短。因此，具有较高频alpha节律的个体其ERP的潜伏期应比具有低频节律的个体的ERP的潜伏期短。
然而该证据仍不能严格排除诱发模型。实验结果满足E6还可有其他解释，例如具有高频alpha节律的个体的觉醒程度更高或者神经传导的时间更短，因此触发事件引起的诱发响应电位具有更短的潜伏期。
E7 该证据认为，如果相位重排模型成立，则产生ERP的皮层区域或神经核团需要与产生背景脑电振荡的相应神经元集合具有交集。目前看来，严格证明实验结果满足E7是方法学上不可能的。脑电信号受到生物组织容积导体效应的影响，空间分辨率较低（脑电为脑脊液、脑膜、颅骨和头皮低通滤波的结果）。采用各种脑电溯源分析方法以期找到脑电信号（包括ERP信号）精确的“神经源”在技术上是不可能实现的。在不少研究中，E7还常被弱化为“ERP的头皮能量分布与single trial的头皮能量分布相似”，进一步降低了脑电源分析的空间分辨率。E7的最终证明只能依赖于神经元或神经元群尺度的神经电生理实验技术，例如单神经元放电记录。
综上所述，相位重排机制的七个支持证据均存在方法学上的不足或理论上的欠缺。满足E1-E7并不保证“相位重排模型（而非诱发模型）是ERP的机制”；同样，不满足E1-E7也不说明ERP完全由诱发机制产生。其中，窄带滤波引入的伪迹是上述证据在两种模型间产生混淆的主要原因之一，滤波很可能造成外加的诱发电位波形畸变（使之更像脑电节律振荡），因此滤波后很难从本质上将脑电的“节律振荡”和独立于脑电振荡的“诱发电位”区分开。由于背景脑电振荡在相位重排过程中产生的幅度和相位变化，与诱发电位经窄带滤波处理后的信号特征非常相似，上述大部分用于支持相位重排的证据也可在诱发模型的假设下获得。
3 诱发模型
ERP的诱发模型理论提出较早，已为大部分研究者所接受，因此相对于支持相位重排模型的研究，近年报道的支持ERP诱发模型的实验研究不是太多。本部分主要介绍诱发模型的代表性研究以及不同学者的观点。
Arieli等在1996年Science上发表的实验结果是诱发模型的最有力证据之一。该研究结合光学成像（反映局部细胞膜电位的变化）和微电极技术（记录局部场电位以及单细胞放电）研究成年猫的视皮层（17、18区）在移动光栅视觉刺激下的反应。结果表明，刺激引发的ERP波形与刺激出现时刻神经元的初始状态密切相关：初始状态的电位偏低，则ERP幅度偏低；初始状态电位高，则ERP幅度高。用初始状态的电位加上single trial叠加平均后得到的ERP幅度，恰好等于实际观察到的single trial对刺激的反应。这说明视觉刺激引起的ERP由两部分线性组合而成，一为视觉刺激诱发的诱发电位（确定性成分），二为动态变化的背景脑电振荡（不确定成分）。因此，Arieli等将视觉刺激对神经电活动的影响形象地比喻为“向波涛汹涌的大海中扔了一块石头所溅起的小涟漪”，其中大海指背景脑电振荡，小涟漪指诱发电位，而总的神经电活动（即single trial信号）则是大海波涛和小涟漪线性叠加的结果。该实验首次为ERP的诱发模型提供了定量化的证据，Ferster（1996）在同期的Science上发表评论文章，高度评价了Arieli等的工作，称该研究提出的ERP与背景脑电振荡的关系问题，将会引发更多的有关脑机制的基础性研究（目前看来，事实的确如此）。
另一个采用微观电生理记录方法获得诱发模型的支持性证据的研究来自Shah等（2004）。该研究在视觉oddball辨识范式下，记录了猴子初级视皮层（V1和IT）的局部场电位以及多细胞放电序列（multiunit activity）的变化。实验结果显示，1）刺激发生前，初级视皮层的脑电节律振荡的幅度大大小于刺激发生后的ERP幅度，即刺激之前不存在一个足够大的背景脑电节律振荡，提示ERP不太可能由脑电振荡的相位重排产生；2）在V1和IT两个区域的局部场电位主频中，虽然能检测到伴随刺激出现的明显的single trial之间的相位汇聚，但同时发生了能量的显著增高。这一结果提示，相位汇聚可能由某诱发电位线性叠加到背景脑电振荡中引起。因此该实验支持ERP的诱发模型机制。Mazaheri和Picton（2005）对该研究持肯定态度，认为Shah等的实验结果为诱发模型提供了强有力的证据（尽管Mazaheri和Picton自身得到的实验结论支持相位重排，参见2.1节）。然而Sauseng等（2007）却对Shah等的研究提出了不同意见：首先，如2.2节对E2的评论所述，刺激出现后脑电能量的增加并不能作为排除相位重排模型的证据；其次，研究已证明人类视觉诱发电位的P1-N1复合波产生于纹外皮层（extrastriate cortical areas），而Shah等的实验仅涉及到初级视皮层，因此并不能排除在视觉信息处理的较高级区域（例如纹外皮层等），ERP的神经机制符合相位重排模型。
尽管评价有肯有否，上述两项采用微观电生理技术的研究为诱发模型提供了较确凿的实验证据。然而也有一些研究受到了学者们一致性的质疑，其中以Risner等于2009年在NeuroImage上发表的论文为代表。该研究要求被试闭眼接受闪光刺激，作者认为闭眼可使脑电alpha节律的幅度最大化，同时可大大减小眼动干扰。该研究采用“相位分类（phase sorting）”的方法对采集到的ERP数据进行分析。结果表明各single trial子集提取出的ERP相似。实验同时采集了控制组（无闪光刺激）的同样数量的single trial，用以排除相位分类所带来的“伪ERP”效应。由此作者认为，背景脑电alpha节律的相位对ERP的波形没有影响，ERP的产生机制独立于背景脑电振荡，因此实验结果支持诱发模型。Klimesch等（2009）于该研究发表4个月后在NeuroImage期刊中提出了反对看法。ERP相位重排模型的核心假设为：任务相关脑电振荡（task relevant oscillation）发生相位重排，相位重排的目的是提高神经系统对外部刺激或认知任务的处理能力。因此，脑电节律振荡为“任务相关脑电节律”是考察ERP相位重排神经机制的前提。Risner等要求被试闭目被动接受闪光刺激，因此该研究未检测到相位重排证据（即E3）的可能原因是脑电alpha节律与任务无关，闪光刺激并未在alpha节律中诱发出相位重排现象。Ritter和 Becker（2009）也在同一期NeuroImage中对此研究的结论提出了质疑。相位重排模型按照重排过程可分为两个亚模型，即“瞬时”重排（instantaneous phase reset）和“非瞬时”重排（non-instantaneous phase reset）。其中，瞬时重排指single trial的相位在触发事件之后的某个时刻发生即刻跳变，如图1（C）所示，该模型暗示背景脑电振荡信号的相位在触发事件发生前和发生后不相关。而非瞬时相位重排指各single trial的相位逐渐调整到一个相对集中的范围。Ritter和Becker认为，采用“相位分类”方法检测ERP的组间差异，需首先假定ERP由非瞬时相位重排机制产生，因为只有在该模型中，触发事件之前的脑电振荡的相位才会对触发之后的脑电相位产生影响，即相位重排的时间随触发时刻脑电振荡的初始相位不同而不同。如果“相位分类”未能检测到触发事件前后脑电振荡的相位依赖关系（正如Risner等2009年的研究），此时仅能排除非瞬时相位重排机制，但ERP仍有可能产生于瞬时相位重排机制。
4 混合模型
相互排斥的两种ERP模型各有其支持性的实验结果，这使有关ERP神经机制的争论持续不已。随着研究的深入，融合这两种理论的混合模型的支持者逐渐增多（Kruglikov & Schiff,2003; Shah et al.,2004; Düzel et al.,2005; Mazaheri & Picton,2005; Becker et al.,2008）。在混合模型的框架下，目前许多实验结果都能得到很好的解释。该模型认为，ERP的产生不能仅用诱发机制或相位重排机制解释，在不同的物理刺激和认知任务下，大脑皮层各区域所产生的ERP的各成分可能来自诱发机制也可能来自相位重排机制，甚至来自二者共同的贡献。
Min等（2007）在视觉辨识任务下获得了支持混合模型的证据。实验根据触发事件发生前的脑电alpha频带能量，将被试分为三组（alpha能量为高、中、低水平）。脑电背景振荡为中、高alpha能量的被试在视觉刺激呈现时alpha节律出现明显ERD，且ERD在时间上恰好对应于ERP的alpha波段能量峰，该结果符合相位重排机制的假设。然而，低alpha能量水平的被试在整个实验过程中的alpha能量始终处于较低水平，并伴随着微弱的ERS，同时ERP的alpha波段能量峰恰好对应于脑电alpha节律发生微弱ERS的时段，该结果更符合诱发模型的假设（因为单纯的相位重排不引起脑电总能量在alpha波段的ERS）。因此作者认为，由于被试在触发事件发生前的脑电节律振荡的能量水平不同，其ERP的神经机制可能不同，该实验说明了至少在alpha频段内存在两种ERP生成机制。
ERP的神经机制不仅受到个体脑电特性的影响，还可因刺激信号的出现时刻不同而发生改变。Fuentemilla等（2006）采用连续短纯音引发听觉诱发电位的N1。已知在一串短纯音引发的ERP中，第一个短纯音引发的N1幅度最大，后续短纯音引发的N1较小。作者利用这一现象，对N1的幅度进行调制。发现第一个刺激引发的N1伴随着同步的脑电能量增加以及相位对齐，而第二个和第三个刺激引发的N1仅伴随相位对齐，没有明显的脑电能量增加。由此Fuentemilla等认为，第一个刺激引发的N1是诱发机制产生的，而后两个刺激引发的N1则更可能是相位重排机制产生的。
Fell等2004年的研究结果也支持混合模型。实验采用置于海马和鼻皮层（rhinal cortex）的颅内电极记录视觉oddball范式及词语辨识范式下的脑电信号。结果表明P300出现时刻，背景脑电振荡同时发生了相位汇集和能量增强，而N400则仅伴随背景脑电的相位汇集。该研究提示诱发和相位重排两种机制可能均参与了ERP晚成分的生成：诱发模型更符合P300的信号特征，而相位重排模型则很可能是N400的神经机制。
值得一提的是，一些原本偏向相位重排模型的学者，通过深入研究找到了ERP两种神经机制共存的证据。Barry（2009a）在其前期大量研究的基础上（前期研究支持相位重排模型，参见2.1节），采用等概率听觉go/nogo范式对ERP的神经机制继续进行探索。研究发现ERP的早期成分伴随有明显的相位汇聚现象（主要集中在50 ms～200 ms），而脑电的相应节律在整个ERP的过程中均体现为能量增加（主要集中在100 ms～400 ms）。Barry认为，早期外源性ERP成分（＜100 ms）为单纯物理刺激引发的响应，其神经机制符合相位重排模型；晚期内源性ERP成分（＞200 ms）则产生于外加的诱发电位，其神经机制符合诱发模型。另外，Makeig等继2002年发表Science文章支持相位重排模型后（参见2.1节），于2004年分析同一组实验数据时指出，背景脑电节律的部分相位重排机制无法完全解释ERP的信号特征，即ERP的神经机制不仅包括相位重排模型，还应包括诱发模型（Makeig et al.,2004b）。
5 总结与展望
长期以来，对ERP神经机制的模糊认识影响了ERP实验数据分析、解释的准确性。研究者们通过各种实验范式，对ERP如何产生的问题进行了深入探讨，其中代表性研究及其主要数据分析方法见表2。由于篇幅所限，本文仅综述了电生理技术方面（即脑电和微电极记录）的相关研究。与脑电研究类似，脑磁也有相应的实验研究分别支持诱发模型（M
ikinen et al.,2005; Mazaheri & Jensen,2006）和相位重排模型（Yamagishi et al.,2003; Hamada,2005）。
诱发模型是经典的ERP神经机制，其观点被大多数ERP领域的研究者所接受；虽然相位重排模型提出时间相对较晚，但已得到了大量的实验结果支持。本文总结了相位重排模型的七个实验证据，然而，大多数支持相位重排模型的证据其实并不能排除诱发模型（即这些证据是非特异性的）。目前比较公认的观点是，诱发模型不是仅有的ERP神经机制，背景脑电振荡的部分相位重排至少参与了ERP的生成。虽然至今ERP的神经机制问题还未找到最终解决，人们对诱发模型和相位重排模型的认识已步步深入。综合本文介绍的各项研究，并结合Klimesch等在2007年的综述，目前对ERP的主要两种神经机制的研究进展可整理为表3。
在今后的研究中，理论层面，混合模型是融合诱发理论及相位重排理论的ERP神经机制新框架，很可能是该领域研究的热点。在混合模型的理论框架下，下一步研究的主要目标是定量化两种神经机制（独立的诱发电位vs.背景脑电的相位重排）在ERP生成过程中的贡献比例。另外，目前对混合模型产生ERP各成分的详细机制还有争论，例如Kruglikov和Schiff（2003），Barry（2009a）的实验表明，ERP的早期成分来自相位重排，中晚期成分来自诱发电位；而Becker等（2008）的结果则相反，发现ERP早期成分由诱发机制产生，中晚期成分由相位重排机制产生。
技术层面，未来的研究需要在实验记录方式、数据处理及分析方法等方面继续努力。首先，目前大部分研究均采用空间分辨率较低的头皮脑电记录，基于动物和特殊被试的微电极或颅内脑电记录技术能在精细的空间尺度下为ERP神经机制提供更明确的实验证据。其次，需要发展新的高时间分辨率的信号处理技术，减弱由于滤波所引起的卷积平滑效应，从而确信无疑地将脑电振荡的相位汇集与虚假的由诱发电位引起的相位汇集区分开。另外，Yeung等（2004）强调的数值模拟实验也应成为下一步研究的关注点：提出ERP神经机制的证据或假设时，需在实际实验之前利用数值实验产生模拟数据，用成分确定的模拟信号验证新证据的可靠性。我们深信，随着上述理论和技术方面的提高，ERP的神经机制终将被揭示，ERP方法在认知神经科学中的应用价值将会进一步提升。
收稿日期：2010-12-28