01脑电基本概念和原理

发布日期: 2026-01-26

第一课时：脑电基本原理和成分

一、脑电基本概念和原理

EEG: Electroencephalography

脑电/脑电图（EEG） 是一种记录大脑电活动的技术。它通过在头皮上放置电极来检测神经元群体的电信号。这些信号反映了大脑不同区域的活动状态，能够提供有关认知功能、情绪状态和神经疾病的信息。脑神经细胞的电生理活动载大脑皮层或头皮表面的总体反映。

Electro: relating to electricity
Encephalo: relating to the brain
Graphy: writing or represnetation produced in a specified manner

认知过程中脑电活动的时间锁定变化，称为事件相关电位（ERP），也被称为认知电位。ERP是通过对多个试次的脑电信号进行平均得到的，能够反映大脑对特定刺激或任务的反应。ERP成分通常以其极性（正向或负向）和潜伏期（出现时间）来命名，如N100、P300等。

动作电位 action potential (AP) 和突触后电位 postsynaptic potential (PSP)

动作电位

放电频率高

传递过程连续放电，持续1ms

幅值大，单位mV毫伏

突触后电位

放电频率低

传递过程不连续，可以叠加，持续几十到几百ms

幅值小，单位μV微伏

脑电记录的一般是突触后电位（PSP），因为它们在时间上更长且更容易被检测到。记录到的脑电信号是大量神经元群体的突触后电位的总和（local field potential, LFP），这些神经元在同一时间内同步活动。

脑电产生要求：

距离近: 神经元群体距离电极较近，通常在几毫米范围内。大脑深处核团放电记录不到。
大量细胞：需要有大量神经元同时放电，通常至少需要成千上万的神经元同步活动，才能产生足够强的电信号被头皮电极检测到。神经元数量少放电记录不到。
同步放电：神经元群体需要在时间上同步放电，这样它们的电信号才能叠加，形成可检测的脑电信号。这个先放电，那个后放电记录不到。

容积传导（volume conduction）
脑电信号通过脑组织、颅骨和头皮传导到电极，这个过程称为容积传导。由于不同组织的电导率不同，脑电信号在传导过程中会发生电活动衰减和扩散（空间分辨率降低，space smearing effect）。因此，记录到的脑电信号是原始神经元活动的一个近似反映。表现为：相邻电极点记录到的信号具有较高的相关性（correlation）。因此，建议脑电电极点间距不宜过近，一般建议至少2-3cm以上。

前向问题vs反向问题

前向问题（Forward Problem）：已知神经元活动，预测头皮上电极记录到的脑电信号。这涉及到建模脑组织的电导特性和几何结构。
反向问题（Inverse Problem）：已知头皮上电极记录到的脑电信号，推断神经元活动的位置和性质。反向问题通常是一个不适定问题，因为多个神经元活动模式可能产生相似的脑电信号。

不同深度的脑电记录
EEG： 突触后电位，记录大脑皮层表面的电活动，空间分辨率较低，通常在厘米级别。适用于研究大脑整体活动模式和大规模神经网络的功能连接。
ECoG（Electroencephalography，皮层脑电图）：通过在大脑皮层/硬脑膜表面放置电极记录电活动，空间分辨率较高，通常在毫米级别。适用于研究局部神经活动和高频振荡。
LFP（Local Field Potential，局部场电位）：通过在大脑组织内部插入微电极记录电活动，空间分辨率最高，通常在微米级别。适用于研究单个神经元群体的活动和突触传递机制。
MUR/MUAP（Multi-Unit Activity，多单元活动）：动作电位，通过在大脑组织内部插入微电极记录多个神经元的放电活动，空间分辨率最高，通常在微米级别。适用于研究单个神经元的放电模式和神经编码机制。

二、脑电设备、实验设计和操作要点

脑电采集设备必须符合数据的特点：

采样率高：至少500Hz，以捕捉快速变化的脑电信号。

放大：把脑电信号方大到可测量范围内，通常需要放大1000-10000倍。

抗干扰：去除高频噪声和低频漂移，常用滤波器包括高通滤波器（cut-off frequency 0.1-1Hz）和低通滤波器（cut-off frequency 30-100Hz）。

数字化：把生物电信号转化为数字和图像信号，便于存储和分析。

电极的命名和放置

10-20系统电极放置法是国际脑电图学会规定的标准电极放置法。额极中点至鼻根的距离和枕点至枕外粗隆的距离各占此连线全长的10%，其余各点均以此连线全长的20%相隔。
常用64导，128导电极帽。

电极类型

湿电极：凝胶（麻烦），科研最常规，盐水（至多1小时，液体容易流动），特殊被试、儿童、老年人；
干电极：阻抗大，数据差，伪迹多，但使用方便，适合临床和便携式设备。

电极帽
根据头围选择合适尺寸的电极帽，确保电极与头皮良好接触，减少阻抗。

新生儿：34-40cm
婴幼儿：42-48cm
儿童或小号：48-54cm
中号：54-62cm
大号：62-68cm

脑电：活动电极-参考电极=记录信号

活动电极(A)：放在指定头皮位置；
参考电极(R)：放在电活动较少的位置，如耳垂、乳突等；
地电极(G)：放在头皮上或身体上某一适宜位置，用于减少电源干扰。
活动电极和接地电极的电压：A-G;
参考电极和接地电极的电压：R-G;
记录信号：[A-G] - [R-G] = A-R;
差动放大器：放大差模信号，抑制共模信号。共模抑制比(CMRR)：衡量差动放大器抑制共模信号的能力，CMRR越大，抑制效果越好。大于70dB，一般100dB以上。

参考点

在线参考：1.不同设备不一样；2.一般是信号比较好的中央电极点。
离线参考：1.双侧耳垂或双侧乳突；2.平均参考（Average Reference）：所有电极点的平均值作为参考点，适用于高密度电极阵列。3.鼻尖参考。

ERP vs fMRI

ERP： 像一个非常高精度的高速麦克风，能捕捉大脑在毫秒级发生的“电信号声音事件”，但很难精确定位是哪个“乐器”（脑区）发出的。
fMRI： 像一个非常精确的慢速热成像相机，能绘制出大脑各个区域的“活动热量图”，定位精确到毫米，但每拍一张照片需要几秒钟，会错过快速变化的细节。

原理与测量内容：

ERP：当大量神经元（尤其是皮层锥体细胞）同步放电时，会在头皮产生微弱的电位变化。ERP通过多次试验叠加平均，从脑电图（EEG）中提取出与特定认知事件（如看到单词、听到声音）锁时的电位波形。它的信号是直接的神经电活动。
fMRI：它不直接测量神经活动，而是测量神经活动引发的“血氧反应”。活跃的脑区需要更多氧气，导致局部血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白比例变化，而这两种物质具有不同的磁性。fMRI就捕捉这种磁性的变化（BOLD信号）。它的信号是间接的、代谢性的，且有约2-6秒的血液动力学延迟。

ERP赢在时间，输在空间：
电信号以光速传播，因此ERP可以精确到毫秒级别追踪认知加工的各个阶段（如P100视觉早期加工，N400语义违反，P300决策更新）。
但是，头皮的电信号是经过颅骨、脑脊液等层层“模糊”后的总和。从头皮有限的电极点（如64、128个）反推大脑内部的电流源，是一个数学上的“逆问题”，有无数种可能解，因此空间定位非常不精确。
fMRI赢在空间，输在时间：
它能清晰地将大脑划分为成千上万个体素，并提供毫米级的3D激活图，精确告诉你哪个脑区（如梭状回、前额叶背外侧）被激活了。
但它的BOLD信号变化非常慢（持续数秒），就像一个慢速快门。你无法知道在一个持续2秒的“激活”中，脑区的活动是如何在毫秒尺度上动态变化的。它捕获的是一个时间上的“积分”或“平均”。

应用场景的互补性：

用 ERP 研究：语言加工的时间阶段（句法vs.语义）、注意瞬脱、错误相关负波、意识访问的神经标志、快速决策过程。
用 fMRI 研究：脑功能图谱绘制、大脑网络连接、情绪与奖赏的脑机制、脑疾病（如抑郁症、阿尔茨海默病）的异常脑区或网络。

fMRI vs fNIRS

都是基于神经血管耦合（血氧变化）原理的非侵入性脑成像技术。

fMRI：像一个高精度、高分辨率的天文望远镜，能给你极其清晰、深邃的宇宙（大脑）图像，但它非常昂贵、笨重，而且只能在天文台（实验室）里使用，观测速度较慢。
fNIRS：像一个便捷的手持式夜视仪，虽然分辨率没那么高，视野也较浅，但它轻便、便宜、抗干扰，可以让你在自然环境下（比如人走动、交谈时）进行观测。

原理：

fMRI：利用强大的超导磁场和射频脉冲，探测血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白磁性差异引起的信号变化。它对磁场变化极其敏感，因此能提供毫米级的空间细节。
fNIRS：利用近红外光（650-900nm） 对生物组织的良好穿透性，以及血红蛋白对特定波长光的吸收特性。通过测量入射光与反射/透射光的强度差，计算氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。它本质上是一种“光学”方法。

空间性能：

fMRI 是3D全脑成像的金标准。它可以清晰地分辨皮层沟回，并深入到大脑内部，对研究情绪（杏仁核）、记忆（海马体）、奖赏（纹状体）等关键区域不可或缺。
fNIRS 是2D表面成像。光在组织中散射严重，有效探测深度有限。它主要研究大脑皮层的功能，例如运动皮层、前额叶、语言区等。它无法研究深层脑区。

时间性能：

fMRI的BOLD信号有固有的血液动力学延迟（约2-6秒），且扫描整个大脑最快也需1-2秒。这使得它难以捕捉快速的神经动态。
fNIRS同样基于血流变化，因此也有血液动力学延迟。但它的光学采样率可以很高（如10Hz以上），能更密集地记录血氧信号的连续变化轨迹，对研究血氧信号的细微时间特征略有优势。

应用场景：

选择 fMRI 的场景：
需要精确定位激活的具体脑区或网络。
研究涉及皮层下结构的功能。
需要高分辨率的全脑连接图谱。
被试可以忍受严格的实验环境（如躺着一动不动）。
选择 fNIRS 的场景：
研究自然情境下的认知与社会互动（如面对面交谈、合作、教学）。
研究运动中的大脑（如康复训练、运动学习、舞蹈、步行）。
研究特殊人群（婴幼儿、老年人、有幽闭恐惧症或体内有金属的患者）。
长期、反复的监测（如临床康复评估、课堂学习研究）。
资源有限的实验室或临床机构。