イベント関連ポテンシャル

事象関連電位（ERP）とは、特定の感覚、認知、または運動イベントの直接的な結果として生じる脳の反応を測定するものです。 ^{[ 1 ]}より厳密には、刺激に対する定型的な電気生理学的反応のことです。このように脳を研究することで、脳機能を評価する非侵襲的な手段が得られます。

ERPは脳波計（EEG）によって測定されます。ERPの脳磁図（MEG）相当物はERF、すなわち事象関連場です。^{[ 2 ]}誘発電位と誘導電位はERPのサブタイプです。

1924年に脳波計（EEG）が発見されたことで、ハンス・ベルガーは、頭皮に電極を装着して信号を増幅することで人間の脳の電気活動を測定できることを明らかにした。電圧の変化は、一定期間にわたってグラフ化することができる。彼は、電圧が感覚を刺激する外部の出来事によって影響を受けることを観察した。EEGは、その後数十年にわたり脳活動を記録する上で有用な情報源となった。しかし、純粋なEEGデータでは個々の神経認知プロセスを分離することが困難であったため、認知神経科学の焦点である高度に特異的な神経プロセスを評価することは非常に困難であった。事象関連電位（ERP）は、単純な平均化手法を用いることで、より特異的な感覚、認知、運動イベントを抽出する、より洗練された方法を提供した。 1935年から1936年にかけて、ポーリンとハロウェル・デイビスは、覚醒した人間で初めて知られているERPを記録し、その研究結果は数年後の1939年に発表された。第二次世界大戦のため、1940年代にはあまり研究が行われなかったが、感覚の問題に焦点を当てた研究は1950年代に再び活発化した。1964年、グレイ・ウォルターらの研究により、条件付き陰性変動（CNV）と呼ばれる最初の認知ERP成分が報告され、ERP成分発見の現代が始まった。 ^{[ 3 ]}サットン、ブラレン、ズビン（1965）は、P3成分の発見により、さらに進歩を遂げた。^{[ 4 ]}その後15年間で、ERP成分の研究はますます人気が高まった。1980年代には、安価なコンピュータの導入により、認知神経科学研究に新たな扉が開かれた。現在、ERPは認知神経科学研究において、情報処理に関連する感覚、知覚、認知活動の生理学的相関を研究するための最も広く使用されている方法の1つである。 ^{[ 5 ]}

ERPは、頭皮に電極を装着して脳の電気活動を時間経過とともに測定する脳波検査（EEG）を用いて確実に測定できます。EEGは、同時に進行している数千もの脳のプロセスを反映しています。つまり、単一の刺激や関心のあるイベントに対する脳の反応は、通常、単一の試行のEEG記録では見えません。刺激に対する脳の反応を見るには、実験者は多くの試行を行い、結果を平均化する必要があります。これにより、ランダムな脳活動が平均化され、ERPと呼ばれる関連する波形が残ります。^{[ 6 ] [ 7 ]}

ランダムな（背景）脳活動は、他の生体信号（例：EOG、EMG、EKG）や電磁干渉（例：電源ノイズ、蛍光灯）とともに、記録されたERPへのノイズ成分を構成します。このノイズは、研究対象となる基底ERPのシーケンスである、関心のある信号を覆い隠します。工学的な観点から、記録されたERPの信号対雑音比（SNR）を定義することが可能です。平均化によって記録されたERPのSNRが向上し、識別可能になり、解釈が可能になります。いくつかの簡略化された仮定を置けば、これには簡単な数学的説明があります。これらの仮定は次のとおりです。

1. 対象となる信号は、一定の潜時と形状を持つイベント同期ERPのシーケンスで構成されている。
2. ノイズは、分散がゼロの平均ガウスランダムプロセスで近似できます。$\displaystyle \sigma ^{2}}$これは試行間で相関がなく、イベントに時間的に同期していない（この仮定は、例えば被験者が実験で標的を心の中で数えている間に舌の動きがほとんどない場合など、容易に破られる可能性がある）。

定義した${\displaystyle k}$、裁判番号、および${\displaystyle t}$経過時間${\displaystyle k}$^thイベントでは、記録された各試行は次のように記述できます。${\displaystyle x(t,k)=s(t)+n(t,k)}$どこ${\displaystyle s(t)}$信号と${\displaystyle n(t,k)}$はノイズです（上記の仮定の下では、信号は特定の試行に依存しませんが、ノイズは依存します）。

平均${\displaystyle N}$トライアルは

${\displaystyle {\bar {x}}(t)={\frac {1}{N}}\sum _{k=1}^{N}x(t,k)=s(t)+{\frac {1}{N}}\sum _{k=1}^{N}n(t,k)}$。

期待値​$\displaystyle {\bar {x}}(t)}$（期待通り）信号そのものであり、${\displaystyle \operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)}$。

その分散は

$\displaystyle \operatorname {Var} [{\bar {x}}(t)]=\operatorname {E} \left[\left({\bar {x}}(t)-\operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\operatorname {E} \left[\left(\sum _{k=1}^{N}n(t,k)\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\sum _{k=1}^{N}\operatorname {E} \left[n(t,k)^{2}\right]={\frac {\sigma ^{2}}{N}}}$。

このため、平均のノイズ振幅は${\displaystyle N}$試行は平均から逸脱すると予想されます（これは${\displaystyle s(t)}$) 以下${\displaystyle \sigma /{\sqrt {N}}}$68%のケースで。特に、ノイズ振幅の68%が含まれる偏差は${\displaystyle 1/{\sqrt {N}}}$1回の試行の何倍か。$\displaystyle 2\sigma /{\sqrt {N}}}$すでに、すべてのノイズ振幅の95%を網羅することが期待できる。

振幅の大きいノイズ（まばたきや運動によるアーチファクトなど）は、基となる事象関連電位（ERP）よりも数桁大きい場合が多い。そのため、このようなアーチファクトを含む試行は、平均化する前に除去する必要がある。アーチファクトの除去は、目視による手動検査、または事前に定義された固定閾値（最大脳波振幅または傾斜を制限する）に基づく自動手順、あるいは試行セットの統計情報から導出された時間変動閾値に基づく自動手順によって行うことができる。

ERP波形は、一連の正負の電圧偏向から構成され、これらは一連の基礎となる成分に関連しています。^{[ 8 ]} ERP成分の中には頭字語で呼ばれるもの（例：条件性陰性変動 – CNV、エラー関連陰性電位 – ERN）もありますが、ほとんどの成分は極性（負/正）を示す文字（N/P）に続いて、潜時（ミリ秒）または波形における成分の順序位置を示す数字で呼ばれます。たとえば、波形における最初の大きなピークであり、刺激提示後約100ミリ秒後に発生することが多い負のピークは、N100 （潜時が刺激後100ミリ秒で負であることを示す）またはN1（最初のピークで負であることを示す）と呼ばれることがよくあります。その後に、通常P200またはP2と呼ばれる正のピークが続くことがよくあります。 ERP成分の潜時については、特に刺激の認知処理に関連する後期成分において、しばしば大きなばらつきが見られる。例えば、P300成分のピークは250ms  ～700msの範囲で変動する可能性がある。

医師や神経科医は、視覚系の損傷や外傷の有無を検査するために、点滅するチェッカーボード状の視覚刺激を用いることがあります。健康な人では、この刺激によって脳の後部にある後頭葉の一次視覚野に強い反応が引き起こされます。

臨床研究において、ERP成分の異常は以下のような神経疾患で認められている。

• AD/HD ^{[ 10 ]}
• 認知症^{[ 11 ] [ 12 ]}
• パーキンソン病^{[ 13 ]}
• 多発性硬化症^{[ 14 ]}
• 頭部外傷^{[ 15 ]}
• 脳卒中^{[ 16 ]}
• 強迫性障害^{[ 17 ]}
• 統合失調症^{[ 18 ] [ 19 ]}
• うつ病^{[ 20 ]}
• 自閉スペクトラム症^{[ 21 ]}
• てんかん– 認知プロセスの効率を監視するため^{[ 22 ]}

ERPは、神経科学、認知心理学、認知科学、および精神生理学的研究において広く用いられています。実験心理学者や神経科学者は、被験者から信頼性の高いERPを引き出すさまざまな刺激を発見してきました。これらの反応のタイミングは、脳のコミュニケーションのタイミング、あるいは情報処理のタイミングの指標になると考えられています。例えば、前述のチェッカーボードパラダイムでは、健常者の視覚野の最初の反応は約50～70ミリ秒です。これは、光が最初に目に入ってから、変換された視覚刺激が皮質に到達するまでの時間を示していると考えられます。あるいは、例えばオッドボールパラダイムでは、提示される刺激の種類（視覚、触覚、聴覚、嗅覚、味覚など）に関わらず、 P300応答は約 300 ms で発生します。刺激の種類に関してこのような一般的な不変性があるため、P300 成分は、予期しない刺激や認知的に顕著な刺激に対するより高度な認知応答を反映していると考えられています。P300応答は、情報と記憶の検出の文脈でも研究されています。^{[ 23 ]}さらに、うつ病における P300 の異常に関する研究もあります。うつ病患者は、P200 と P300 の振幅が低下し、P300 の潜時が長くなる傾向があります。^{[ 20 ]}

P300反応は新規刺激に対して一貫しているため、それを利用した脳・コンピュータインターフェースを構築することができる。グリッド上に多数の信号を配置し、前のパラダイムと同様にグリッドの行をランダムに点滅させ、グリッドを見つめている被験者のP300反応を観察することで、被験者は自分が見ている刺激を伝え、それによってゆっくりと単語を「入力」することができる。^{[ 24 ]}

ERP分野のもう1つの研究領域は、エフェレンスコピーです。この予測メカニズムは、例えば人間の言語化において中心的な役割を果たします。^{[ 25 ] [ 26 ]}しかし、エフェレンスコピーは、発話された言葉だけでなく、内的な言語、つまり静かな言葉の生成にも発生し、これは事象関連電位によっても証明されています。^{[ 27 ]}

研究、特に神経言語学研究で頻繁に使用される他のERPには、 ELAN、N400、P600/SPSなどがあります。ERPデータの分析は、機械学習アルゴリズムによってもますますサポートされています。^{[ 28 ] [ 29 ]}

ERPとEEG信号周波数の定量的解析を組み合わせた方法は、認知機能低下の早期発見のための診断ツールとして提案されている。^{[ 30 ]}

• 準備ポテンシャル
• C1とP1
• 条件付き負の変動
• メモリによる差異
• 左前頭部の早期陰性電位
• エーリッヒ・シュレーガー
• エラー関連の否定性
• 誘発電位
• 誘導活性
• 左右対称の準備態勢
• ミスマッチ陰性電位
• 陰性度：N100 •視覚N1 • N170 • N200 • N2pc • N400
• 陽性反応：P200 • P300 • P3a • P3b •後期陽性成分• P600
• 体性感覚誘発電位

• – ERPサマースクール2017は、2017年6月25日から30日まで、バンガー大学心理学部で開催されました。
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• ERPブートキャンプ（2016年11月28日アーカイブ、 Wayback Machine） – スティーブ・ラックとエミリー・カッペンマンが主導する、ERP研究者向けの一連のトレーニングワークショップ
• バーチャルERPブートキャンプ– ERP手法に関する情報、お知らせ、ヒントを掲載したブログ