导语
本期将详细介绍脑电图（EEG）的原理与应用。脑电图作为一种极具价值的神经科学工具，早已在医学、心理学乃至人工智能等领域崭露头角。那么，它究竟是如何工作的？又有哪些独特的应用场景？接下来，让我们一同深入探索脑电图的神秘世界，揭开它背后隐藏的科学面纱。
一、什么是脑电图（EEG）
1、脑电活动
大脑由数十亿个细胞组成，其中有一半是神经元，另一半为支持神经元功能的胶质细胞。神经元通过突触相互连接，突触通过释放抑制性或兴奋性神经递质调控下游神经元的活动。
任何突触活动都会带来微妙的电脉冲（也称突触后电位）。但如果没有直接接触到单个神经元，那么就很难检测到它的脉冲。每当数以千计的神经元同时放电，它们就会产生强大的电场，传播到组织、骨骼和颅骨，最终可在头皮测量。
这种电脉冲就好比不间断的轻微的地震轰隆声。单一脉冲可能过于微弱而无法察觉，但如果在同一时间、地点，以同一节奏，同时发生，那么它们加起来就会形成一场大地震，即使在数百里开外也会很明显。
2、脑电图
脑电图（EEG）是一种测量大脑电活动的方法，它需要将电极置于头皮表面上，记录神经元内及周围电流所产生的电压电位。电极通常固定于弹性帽中（按国际10-20系统排列），并通过导电凝胶或盐水降低阻抗，以稳定采集特定头皮位置的信号。
佩戴Neuroelectrics Enobio脑电帽的受试者
（1）测量数千个神经元的同步活动（以伏特为单位）产生的电活动
（2）检测皮层区域内的活动（出色的时间分辨率，在亚秒级的时间尺度上）
由于在电极上测得的电压波动非常小，因此记录的数据被数字化并发送到放大器，放大的数据可显示为电压值序列。
由于脑电图通常具有很高的采样率（设备每秒可以拍摄的快照数量），所以它是可用的最快的成像技术之一。一百年前，脑电图的时间进程被记录在纸上，如今，这些数据可以在屏幕上呈现出来。
3、脑电波
正常的EEG波是使用EEG设备记录在大脑活动中观察到的特征性电模式。这些波形可以提供有关个人警觉性、放松或睡眠状态的重要见解。识别正常的脑电波在临床和研究环境中至关重要，它们为检测特定刺激、条件或疾病引起的异常或变化提供了基线。
以下是原发性正常脑电波、它们的定义和意义的细分：
Delta波（1-4Hz）
定义：Delta波是最慢的脑电图波，频率为1-4Hz。
意义：Delta波通常见于深度、无梦的睡眠，尤其是婴儿和幼儿。如果它们存在于清醒的成人，那可能表明此人存在脑部病变。
在睡眠实验室中，通过检测Delta波来评估睡眠的深度。Delta波节律越强，睡眠越深。增量功率（增量波记录量的增加）也与内部工作记忆任务的集中有关。
Theta波（4-7Hz）
定义：Theta波的频率范围为4-7Hz。
意义：这些波常见于儿童和昏昏欲睡的成人，在深度冥想或轻度睡眠中最为明显，与delta波一样，如果成人清醒时Theta波有明显活动可能表明此人存在神经系统问题。
Theta波与认知加工相关，如记忆、编码和提取。每当我们面临困难的任务时，Theta波就会变得突出。Theta波也与疲劳水平有关。
Alpha波（7-12Hz）
定义：Alpha波的频率范围在7-12Hz之间。
意义：当一个人处于放松平静但警觉的状态时，通常会出现Alpha波。当一个人在做白日梦或被动地让他们的思绪游荡时，它们最为突出。当一个人处于休息状态时，如果缺乏这些波，则此人可能存在脑部疾病。
当我们闭上眼睛，处于平静状态时，Alpha波就会发挥作用。当处于放松的清醒状态时，Alpha波水平会增加。生物反馈训练经常使用Alpha波来检测放松状态。它们也与注意力有关。
Beta波（12-30Hz）
定义： 频率范围为12-30Hz的更快波。
意义：Beta波与活跃的分析性思维有关。当一个人警觉、专心或参与解决问题、决策或专注的心理活动时，它们会变得更加明显。
当我们计划或执行身体任何部位的运动时，Beta波频率会变强。有趣的是，当我们观察其他人的身体运动时，这种Beta波的增加也很明显。我们的大脑似乎在模仿他们的肢体运动，这表明我们的大脑中有一个复杂的“镜像神经元系统”，这可能与Beta波频率同步协调。
Gamma波(>30Hz，通常为40Hz）
定义：Gamma波是最快的脑电图波，频率高于30Hz。
意义：Gamma波与更高级的处理任务以及认知功能有关。它们在感知、意识和记忆回忆等各种功能中发挥作用。
一些研究人员认为，Gamma波能够反映注意力是否集中，并作为载波频率促进大脑区域之间的数据交换。还有研究人员将Gamma波与快速眼动联系起来，他们认为Gamma波是感觉处理和信息吸收的组成部分。
4、如何解释脑电数据？
EEG可以分析大脑皮层的哪些区域负责处理信息：
枕叶皮层（Occipital cortex）
枕叶是大脑的视觉处理中心，视觉刺激（视频、图像）脑电图像通常集中在这一区域。
顶叶皮层（Parietal cortex）
顶叶负责整合来自外部来源的信息和我们的感知能力。顶叶皮层负责将所有这些信息源合并，说明我们的身体如何与环境联系，以及环境中的所有事物（物体、人）如何与我们在空间上产生联系。如果没有顶叶皮层，需要眼睛或手的运动以及眼手协调的任务无法完成。
颞叶皮层（Temporal cortex）
颞叶皮层与通过视觉记忆、语言和情感联想来处理派生或更高意义的感觉输入有关。左侧颞叶皮层参与书面语和口语的理解。在空间导航过程中，内侧区域更为活跃。
额叶皮层（Frontal cortex）
人脑的前额部分比大多数哺乳动物都要大。额叶皮层基本负责执行功能：它有助于保持控制力，规划未来，并检测我们的行为。除了某些电活动起源的区域特征之外，你还可以分析哪些频率主要驱动正在进行的活动。
Frontal lobe：大脑额叶；Parietal lobe：顶叶；Occipital lobe：枕叶；Cerebellum：小脑叶；Temporal lobe：颞叶
二、如何采集脑电信号？
分析脑电图数据具有挑战性。无论是信号处理、伪影检测、特征提取以及诸如工作量、参与度、困倦度或警觉性等心理指标，都需要一定水平的专业知识和经验才能从收集的数据中正确识别和提取有价值的信息。
现有的脑电采集方式主要分为侵入性、半侵入性和非侵入性三大类：
侵入性是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本；半侵入性即将皮层电极植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外，主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析；非侵入性是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录和解读。
TMSi脑电帽与电极实物，如下图。
EEG系统的价格差异通常是由电极数量、数字化质量、放大器质量以及设备采样率决定的。
神经信号类型（LFP/SPIKES/EEG/ECoG），如下图。
