脑电（EEG）概述

脑电（elecroencephalography，EEG）是利用脑电记录仪，通过头皮上的电极将脑部的生物电位加以放大记录而得到的时间-电压曲线。

大脑产生的电信号是由数以亿计的神经元产生的。神经元所带的电荷或者所处的“极化状态”是由神经元细胞膜上的转运蛋白跨膜转运离子而产生的，神经元细胞与细胞外液环境一直进行着离子交换，例如，维持静息电位和传导动作电位。当很多离子在同一时刻跨出神经元细胞时，由于相同极性离子之间存在排斥，它们能够使其邻近的离子也跨出神经元细胞膜，就这样一波一波地传递，最终使很多神经元细胞的膜电位都发生了变化，这称为容积传导（volume conduction）。当离子流传递到头皮电极时，电子会聚集在电极处的金属上，由于金属的电阻小，因此可以通过电压计很容易地测量到两个电极点的电压差，记录一段时间内的这些电压差值就形成了EEG。

由单一神经元产生的电位非常微弱以至于无法记录到电信号。而EEG反映的是有着相似空间排列方式的千百万个神经元同步化活动的总和。如果神经元细胞没有相似的空间排列方向，它们的离子就不能够排成一线，也就不能产生电流，从而无法探测到EEG信号。大脑皮质的锥体神经元细胞被认为是产生EEG信号的主要成分，因为它们排列方式一致而且一同发放神经冲动。由于电压随距离的平方下降，颅骨附近的电流相比深部神经元活动衰减很多，因此很难记录到。

Caton最早记录到了脑电活动，他于1875年首次记录到了兔子和猴子的脑电活动，但是直到1924年，才由Hans Berger第一次记录到了人类的脑电活动。脑电（electroencephalography，EEG）是通过在头皮上不同位置放低阻抗（＜5kΩ）的电极通过放大、采样记录得到的。EEG测量的是脑内不同位置神经元内的离子电流产生的电压值。测量得到的电位可以是两个活动电极之间的电位差（称为双极记录），也可以是相对于一个参考电极的电位差（称为单极记录）。如果将电极置于头皮，这样得到的脑电图为头皮脑电图，也就是通常所说的EEG。也有在外科手术后将特殊电极置于大脑皮层内的，这样的脑电图称为皮层内脑电图。EEG主要是由大脑内神经锥体细胞（这种神经细胞在人类大脑皮层兴奋性神经元中占85%）的突触后电位形成的。当大脑某一局部或整个脑的一群神经元同步产生电活动，就会在EEG上形成一个特殊的脑电波形式。由于EEG的样式与中枢神经系统的功能状态有关。因此EEG是神经生理学研究中最重要的诊断工具。

EEG可以在受试者不同状态下记录：①闭眼状态；②睁眼状态；③过度通气；④图片刺激等。当然根据研究需要，可以设置不同的刺激，通常要求受试者在刺激发生过程中不能有太大的动作，因为过大的动作会影响到头皮脑电信号。因此，在EEG记录时遇到的一个问题就是伪迹干扰。这些伪迹干扰通常会由头部运动、眨眼、肌肉活动、心电等引起。由于EEG信号的幅值非常低，通常会在10～200μV，因此伪迹会干扰EEG信号，使得在分析EEG信号时产生误解。

从脑电波的外在表现形式来看，脑电波形近似正弦波，是一种非周期性的输出信号，通常用频率、振幅和相位参数来描述其特征。脑电波的频率：指的是在1s的时间内脑电波波峰或波谷出现的个数；脑电波振幅：正弦波的振幅是指由基线到波峰或者波谷的距离；脑电波相位：相位有正相位和负相位之分，一般以基线为标准，朝向上的波称为负向波（阴性波），朝向下的波称为正向波（阳性波）。

通常记录到EEG的包含不同频率的脑波（图4-1）。这些脑波有着不同的频率范围、空间分布特征以及对应着不同的脑功能状态。这些脑波呈现的是在一定神经元网络内的同步化活动。人体EEG的频率主要在0.5～30Hz，振幅在2～200μV，有学者根据频率和幅值特性提出了5种不同类型的脑波，它们对应着不同脑区的不同功能或者病理学特征：频率最低幅值最高的是δ波，频率为1～5Hz，这个频率带反映神经细胞较低的神经冲动发放频率，该波段主要与深度睡眠有关，δ波的位置和节律与不同程度的皮层下损伤有关，对于成年人来说，主要出现在额区。θ波是一个中等幅值和中等频率的脑波，频率范围是5～8Hz，当一个人感觉困倦时该脑波功率增加，它主要出现在婴儿和儿童；如果在成年人安静清醒状态下出现大量的θ波，这可能暗示其大脑功能异常。α波的频率范围为8～12Hz，很多学者发现α波还可以继续划分为两个亚波段，α1（8～10Hz）和α2（10～12Hz），正常成年人在清醒放松状态下，而且唤醒水平最低时，主要就是该波段脑波，常出现在双侧脑后区，优势侧的幅值更高，随着闭眼和放松时该波会大量出现，当眼睛睁开或者精神紧张时，该波减少。另外，对儿童来说，枕后区的基础波要比8Hz低（因此从技术上来说，属于θ波）。除了脑后部基础节律比外，还有另外一种μ波（产生在感觉区和运动皮质区的α波），当手和前臂闲置不运动处于安静状态的时候会出现，展示的是安静状态下运动神经元的状态。β波（12～30Hz），通常在两侧对称分布，在额区最明显，β波活动与运动行为密切相关并且在积极运动的时候通常会明显降低。它们的幅值要低于α波，在警觉、期待、积极思考或者紧张状态时最为明显，也有学者根据研究需要又将β波划分为两个亚波段，β1（12～20Hz）和β2（20～30Hz）。γ波频率范围为30～100Hz，主要产生在躯体感觉皮层区域，该脑波主要与处理多种认知信息之间的联系有关，例如，同时处理视觉和听觉信息。

图4-1　不同频率脑波波形（引自Wikipedia百科）

通常研究EEG的某个频率段脑波的功率或某个频率波段的同步化情况。EEG功率值使用功率谱分析获得，它反映某一个电极所在位置的某些频率成分的变化情况。而EEG同步化是反映来自不同电极之间的信号彼此之间是如何关联的。另外，与事件相关的EEG功率变化称为事件相关同步化（event-related synchronization，ERS）和事件相关去同步化（eventrelated desynchronization，ERD），EEG信号同步化是用来阐明头皮上不同位置的成对电极信号之间的同步化活动，实质上与频谱功率或者幅值无关。