詳解EEG腦電原理
簡介
腦電圖（EEG）是一種非侵入性記錄腦電活動的電生理監(jiān)測方法，電極沿著頭皮放置，然后通過放置在頭皮上的多個電極，記錄大腦在一段時間內(nèi)自發(fā)進行的電活動。
它是實驗心理學領域中提供大腦活動的一種工具，而且還是一種神經(jīng)成像方法，在目前世界最前沿的計算神經(jīng)科學中得到了廣泛應用， 國內(nèi)如清華大學、復旦大學等腦機接口實驗室，從上世紀90年代引入此項技術和設備，經(jīng)過了近30年的發(fā)展，在這方面已經(jīng)逐漸趕上國際先進水平，在一些領域居于領先地位。
一、生物電
說到腦電就要先從生物電開始說起。生物電就是生物的器官、組織和細胞在生命活動過程中發(fā)生的電位和極性變化。它是生命活動的一個基本特征，大到鯨魚小到細胞，都有或強或弱的生物電現(xiàn)象。
生物電和電流的概念迥然有別，電流是電荷移動產(chǎn)生的，而生物身上的生物電是在細胞膜上存在一些特殊的通道，當細胞膜內(nèi)外的離子濃度失衡時，細胞膜上特殊的通道就會打開，使鈉、鉀、鈣等離子從細胞膜外流進細胞內(nèi)，或者流出細胞，從而形成生物電。如果沒有這些生物電，生物不可能有任何的生命活動。
細胞通道原理
腦電的本質(zhì)即是生物電的一種，它最早是由德國生理學家和精神病學家漢斯·伯杰（Hans Berger，1873-1941年）在1924年記錄了首個人類腦電圖。Berger在擴展前人動物研究的同時，還發(fā)明了腦電圖，該發(fā)明被描述為“是臨床神經(jīng)病學史上最令人驚訝，最顯著，最重要的發(fā)展之一”。正是他們開創(chuàng)了腦電圖，從此開啟了腦電圖漫長的發(fā)展之路。
德國生理學家和精神病學家漢斯·伯杰（Hans Berger，1873-1941年）
大腦是一個復雜的生理結構，它支配著我們?nèi)粘Ｉ钪械拿恳粋€行為，為了探索大腦的支配原理，我們需要先從了解大腦的基本結構開始。
二、大腦皮層的解剖結構
大腦表面有許多溝和回，正是這些溝和回將大腦分為四個腦區(qū)。具體的是由中央溝、頂枕裂以及大腦外側裂將大腦分成額葉、頂葉、枕葉和顳葉。其中顳葉以聽覺功能為主，枕葉以視覺功能為主，頂葉是軀體感覺的高級中樞，額葉以軀體的運動功能為主。前額葉皮層和顳、頂、枕皮層之間的聯(lián)絡區(qū)則與復雜知覺、注意、思維等腦高級活動有關。
大腦皮層的解剖結構圖
大腦皮層的厚度非常薄，平均只有2.5mm，它的最外面是一層顏色較深的結構，這是神經(jīng)細胞的胞體所在，我們也稱之為灰質(zhì)（gray matter），也是我們采集腦電信號的區(qū)域；皮層下面的結構是神經(jīng)細胞的軸突，它的作用是將皮層中神經(jīng)元的信號傳遞出去，由于軸突外面會被一層顏色較淺的髓鞘包裹，因此也稱之為白質(zhì)（white matter）。支配我們完成各種動作的高級中樞就是大腦皮質(zhì)，也就是灰質(zhì)。腦電所能采集到的生物電就是灰質(zhì)中神經(jīng)元的放電情況，由此可探索灰質(zhì)的工作原理。
大腦的灰質(zhì)（Gray matter）和白質(zhì)（White matter）
三、大腦皮層的細胞分類
因為大腦的灰質(zhì)比較薄，用傳統(tǒng)的影像學技術是不能夠觀察到內(nèi)部結構的，所以我們需借用顯微鏡觀察其內(nèi)部結構。結果發(fā)現(xiàn)皮層是具有分層結構的，一般分為6層，靠近顱骨的是對外層也是第一層，靠近白質(zhì)的是最內(nèi)層，也就是第六層。
由外到內(nèi)分別為Ⅰ分子層、Ⅱ外顆粒層、Ⅲ外錐體細胞層、Ⅳ內(nèi)顆粒層、Ⅴ內(nèi)錐體細胞層以及Ⅵ多型細胞層。
分子層：是由和皮層表面相平行的纖維及少量神經(jīng)細胞和加多的神經(jīng)膠質(zhì)細胞組成，具有橫向傳導功能。
外顆粒層：為小錐體細胞層，由密集的小錐體細胞組成。
外錐體細胞層：為主要皮層細胞，由中大型錐體細胞組成。
內(nèi)顆粒層：為星形細胞層，由密集的小星形細胞組成。
內(nèi)錐體細胞層：為神經(jīng)節(jié)細胞層或大錐體細胞層，由大錐體細胞組成。
多形細胞層：由許多不規(guī)則的梭狀細胞及角狀細胞組成。
神經(jīng)元
以上不同類型的細胞均統(tǒng)稱為神經(jīng)元細胞，它是由胞體、髓鞘、樹突和軸突組成，每個神經(jīng)元可以有一個或多個樹突，但是只有一個軸突，樹突用于接受刺激并將興奮（刺激）傳入細胞體，軸突可以把神經(jīng)沖動通過突觸從一個胞體傳到另一個神經(jīng)元中或其他組織中，從而去興奮或者抑制下一個神經(jīng)元或其他組織。這些神經(jīng)元主要分布在腦組織中，利用設備來記錄他們的放電活動，所采集到的放電活動稱為腦電圖。
腦電圖（electroencephalogram，EEG）是通過精密的儀器，從頭皮上將腦部大腦皮層的自發(fā)性生物電位加以放大記錄而獲得的圖形，是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動。
四、腦電產(chǎn)生的機制
對于腦電的產(chǎn)生，學術界存在各種的假設學說，主要有神經(jīng)元胞體或神經(jīng)纖維峰電位組成學說（1953，Eccles）、頂樹突動作電位學說（1951，張香童）、頂樹突突觸后電位學說。Jung（1953）在神經(jīng)藥理的實驗中證實，用弱電流刺激腦表面陰性波，或腦電圖募集反應的表面陰性波，均為錐體細胞頂樹突的突觸后電位，并可分為興奮性突觸后電位和抑制性突觸后電位，這個學說是目前多數(shù)學者認同的腦電活動的原理。
突觸后電位原理
神經(jīng)元上的細胞膜內(nèi)外側本來就存在膜電位，即內(nèi)負外正的電位差，我們稱之為靜息電位，它是一些生物電產(chǎn)生和變化的基礎。
靜息電位：興奮的傳遞
從突觸傳遞到改變下一個神經(jīng)元原有的興奮性被稱為突觸后電位。多個神經(jīng)元之間的興奮可以通過突觸傳遞這種方式傳遞神經(jīng)元的興奮，還可以通過電場效應進行傳遞。
從突觸采集到腦電信號需要兩個條件，一個是神經(jīng)元的放電活動要同步，二是神經(jīng)元形成的電場活動要一致。
電場效應是儀器采集到腦電的主要原理之一，即動作電位產(chǎn)生電流，電流又產(chǎn)生磁場，磁場又影響臨近神經(jīng)元細胞上的動作電位，從而同時興奮多個神經(jīng)元。
開放電場與封閉電場
如果各個神經(jīng)元的樹突朝著一個方向，則構成開放電場，灰質(zhì)的第三層和第五層細胞是比較典型的開放電場的結構。在這種情況下，每個神經(jīng)元的同步活動產(chǎn)生的電場一致，就會出現(xiàn)電場疊加，達到一定程度才可以在頭皮上記錄到。
如果神經(jīng)元之間的排列雜亂無章，就會構成封閉電場（如下圖所示），即使同步放電，也會因為電場方向相反，相互抵消，總和接近為0，從而使遠距離的部位不能記錄到神經(jīng)元活動的電位。
實際上，腦組織的結構很難達到每個神經(jīng)元排列方向一致的情況。因此，我們所采集到的信號是部分神經(jīng)元的活動，而不是所有的神經(jīng)元活動。
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