4.1.2 脑电信号电生理基础
头皮脑电是相隔一定距离的脑内神经元群电活动的总和。大脑有数十亿个神经元产生电荷，神经元由膜转运蛋白将离子泵出或泵入细胞膜，从而不断与细胞外环境交换离子产生电信号，如维持静息电位、传播动作电位等。单个神经元产生的电位太小而无法被EEG检测到，因此EEG信号反映的是成千上万个具有相同电场方向的神经元同步活动的总和。如果神经元不具有相同的电场方向，那么它们的离子则不会排列成可被监测的电信号。正常脑电头皮电位的主要信号源是大脑皮层Ⅲ层和Ⅳ层椎体细胞。由于电压场梯度随着距离的平方而下降，因此EEG难以监测脑内深部结构的电流。
作为一种电生理信号，脑电具有以下特点。
（1）脑电信号是随机非平稳信号。随机性是由于脑电非常容易被规律未知的因素影响，非平稳性是由于构成脑电信号的生理因素始终在变化，并且对外界的影响有自适应能力。
（2）脑电信号是非线性信号。人类大脑是一个高度复杂、自组织的非线性系统，脑电信号是大量神经元电信号的非线性组合。
（3）脑电信号非常微弱。一般头皮脑电信号不超过±100μV。
头皮EEG活动可以显示各种频率的振荡，这些振荡具有一定的特征频率范围和空间分布，与脑功能的不同状态相关联。按照周期长短或频率高低可以将脑电信号分为以下几种节律（图4.1）。
（1）δ节律：δ节律为0.5～4 Hz，出现在婴儿期或智力发育不成熟的阶段，或者在成年人极度疲劳、深度睡眠或麻醉状态下，也可能出现在严重器质性脑病患者身上。δ节律曾在经历皮质下横切手术的实验动物脑内记录到，该手术可使大脑皮质和网状激活系统产生功能性分离。因此δ节律产生在皮质内，不受脑的较低级部位神经元的控制。
（2）θ节律：θ节律为4～8 Hz，振幅为10～40μV。一般θ节律主要分布于额叶。研究显示θ节律与工作记忆密切相关，并且随着工作记忆的负载增加，θ振荡活动也相应增强。随着青少年到成年的年龄增长，θ波的数量逐渐减少，频率和幅度也发生变化。抑郁症等精神疾病患者的θ波比健康人更加显著，在老年期和病理状态下也十分常见。
（3）α节律：α节律为8～13 Hz，平均振幅30～50μV，主要分布于顶枕区，一般呈正弦波样，是健康成年人清醒、闭眼状态下的脑电波；进入睡眠状态后便消失，清醒状态睁眼时或注意力集中时幅值降低，并逐渐由β节律代替。α节律的频率、振幅、空间分布等信息是反映大脑功能状态的重要指标。
（4）β节律：β节律为13～30 Hz，振幅一般为5～30μV。频率较高，一般出现在精神紧张和情绪激动时。β节律可以进一步分为β1与β2节律，β1为13～20 Hz，受到心理活动的影响；β2为20～30 Hz，在中枢神经系统强烈活动或紧张时出现。β节律出现于整个大脑区域，主要分布于前半脑区与颞区。
（5）γ节律：γ节律是一种高频波，分为低γ（30～70 Hz）与高γ（70～150 Hz）。γ节律广泛分布于多个脑区，如海马、丘脑、各种感觉和运动皮层等。其主要参与刺激特征的绑定、选择性注意和记忆任务等感觉认知活动。
图4.1 脑电节律分类（摘自Cameron 1996［1］）
一般认为，与行为认知相关的脑电波段主要集中在0.5～30 Hz。除了以上几种脑电的基本节律，常见的还有μ节律（8～12 Hz），为出现在中央区的梳形节律，涉及大脑中控制自主运动的神经元电活动。11～14 Hz为睡眠纺锤波，由第2阶段非快速眼动睡眠期间丘脑网状核和其他丘脑核的相互作用产生，与海马短期记忆向新皮层的传输有关。