干货|详解EEG脑电原理及两种主流脑电设备对比

脑电图（EEG）是一种非侵入性记录脑电活动的电生理监测方法，电极沿着头皮放置，然后通过放置在头皮上的多个电极，记录大脑在一段时间内自发进行的电活动。它一方面在临床上用于诊断癫痫病、睡眠障碍、麻醉深度、昏迷、脑病和脑死亡，另一方面在实验心理学领域中提供大脑活动的一种工具，而且还是一种神经成像方法，在计算神经科学中得到了广泛应用。

虽然脑电图的空间分辨率有限，信号伪迹比较多，但它仍然是研究和诊断的宝贵工具。首先是价格比较低廉，即使需要持续购买导电膏，还要准备洗发水和毛巾，价格优势仍十分明显；其次就是活动范围大，脑电帽戴在头上时，身体位置的干扰不太会影响脑电的信号，甚至还可以搭配核磁共振使用；然后是时间敏感度强，可以精确到毫秒，这是影像学技术可以达到的较高精度；最后就是可以发现一些隐藏的脑电信号，比如在睡觉、发呆、分神时大脑发生的变化，在这些情况下即使没有任何刺激或者行为，大脑的活动仍然可以被记录。本文将为您阐述EEG的原理，并根据原理来选择合适的脑电。

生物电

 

说到脑电就要先从生物电开始说起。生物电就是生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化。它是生命活动的一个基本特征，大到鲸鱼小到细胞，都有或强或弱的生物电现象。

                                                                                             生物电

生物电和电流的概念迥然有别，电流是电荷移动产生的，而生物身上的生物电是在细胞膜上存在一些特殊的通道，当细胞膜内外的离子浓度失衡时，细胞膜上特殊的通道就会打开，使钠、钾、钙等离子从细胞膜外流进细胞内，或者流出细胞，从而形成生物电。如果没有这些生物电，生物不可能有任何的生命活动。

                                                                                        △细胞通道

脑电的本质即是生物电的一种，它最早是由德国生理学家和精神病学家汉斯·伯杰（Hans Berger，1873-1941年）在1924年记录了首个人类脑电图[1]。Berger在扩展前人动物研究的同时，还发明了脑电图，该发明被描述为“是临床神经病学史上最令人惊讶，最显著，最重要的发展之一”。正是他们开创了脑电图，从此开启了脑电图漫长的发展之路。

汉斯·伯杰在1924年记录了首个人类脑电图

大脑是一个复杂的生理结构，它支配着我们日常生活中的每一个行为，为了探索大脑的支配原理，我们需要先从了解大脑的基本结构开始。

大脑皮层的解剖结构

 

大脑表面有许多沟和回，正是这些沟和回将大脑分为四个脑区。具体的是由中央沟、顶枕裂以及大脑外侧裂将大脑分成额叶、顶叶、枕叶和颞叶。其中颞叶以听觉功能为主，枕叶以视觉功能为主，顶叶是躯体感觉的高级中枢，额叶以躯体的运动功能为主。前额叶皮层和颞、顶、枕皮层之间的联络区则与复杂知觉、注意、思维等脑高级活动有关。

                                                          大脑皮层的解剖结构图

大脑皮层的厚度非常薄，平均只有2.5mm，它的最外面是一层颜色较深的结构，这是神经细胞的胞体所在，我们也称之为灰质（gray matter），也是我们采集脑电信号的区域；皮层下面的结构是神经细胞的轴突，它的作用是将皮层中神经元的信号传递出去，由于轴突外面会被一层颜色较浅的髓鞘包裹，因此也称之为白质（white matter）。支配我们完成各种动作的高级中枢就是大脑皮质，也就是灰质。脑电所能采集到的生物电就是灰质中神经元的放电情况，由此可探索灰质的工作原理。

                                                    大脑的灰质（Gray matter）和白质（White matter）

大脑皮层的细胞分类

 

就是因为大脑的灰质比较薄，用传统的影像学技术是不能够观察到内部结构的，所以我们需借用显微镜观察其内部结构。结果发现皮层是具有分层结构的，一般分为6层，靠近颅骨的是对外层也是第一层，靠近白质的是最内层，也就是第六层。

                                                                人类大脑皮质的细胞分层和纤维分层

由外到内分别为Ⅰ分子层、Ⅱ外颗粒层、Ⅲ外锥体细胞层、Ⅳ内颗粒层、Ⅴ内锥体细胞层以及Ⅵ多型细胞层。

分子层：是由和皮层表面相平行的纤维及少量神经细胞和加多的神经胶质细胞组成，具有横向传导功能。

外颗粒层：为小锥体细胞层，由密集的小锥体细胞组成。

外锥体细胞层：为主要皮层细胞，由中大型锥体细胞组成。

内颗粒层：为星形细胞层，由密集的小星形细胞组成。

内锥体细胞层：为神经节细胞层或大锥体细胞层，由大锥体细胞组成。多形细胞层：由许多不规则的梭状细胞及角状细胞组成。

神经元

以上不同类型的细胞均统称为神经元细胞，它是由胞体、髓鞘、树突和轴突组成，每个神经元可以有一个或多个树突，但是只有一个轴突，树突用于接受刺激并将兴奋（刺激）传入细胞体，轴突可以把神经冲动通过突触从一个胞体传到另一个神经元中或其他组织中，从而去兴奋或者抑制下一个神经元或其他组织。这些神经元主要分布在脑组织中，利用设备来记录他们的放电活动，所采集到的放电活动称为脑电图。

                                                 神经元结构                            突触结构

脑电图（electroencephalogram，EEG）是通过精密的仪器，从头皮上将脑部大脑皮层的自发性生物电位加以放大记录而获得的图形，是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。

脑电产生的机制

 

对于脑电的产生，学术界存在各种的假设学说，主要有神经元胞体或神经纤维锋电位组成学说（1953，Eccles）、顶树突动作电位学说（1951，张香童）、顶树突突触后电位学说。Jung（1953）在神经药理的实验中证实，用弱电流刺激脑表面阴性波，或脑电图募集反应的表面阴性波，均为锥体细胞顶树突的突触后电位，并可分为兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位，这个学说是目前多数学者认同的脑电活动的原理。

突触后电位原理

神经元上的细胞膜内外侧本来就存在膜电位，即内负外正的电位差，我们称之为静息电位，它是一些生物电产生和变化的基础。

静息电位：兴奋的传递

当给神经元细胞一个刺激时，细胞膜就会对离子的通透性发生改变，主要是钠离子的流向细胞膜内，打破静息电位，形成内正外负的电位差，从而形成动作电位。然后动作电位沿着轴突传递，传递到轴突末梢，轴突末梢中携带神经递质的突触小泡被释放到突触间隙中，然后神经递质就被突触后膜（另一个神经元的树突）接收到，从而改变下一个神经元的兴奋性。

 

突触传递

                        

从突触传递到改变下一个神经元原有的兴奋性被称为突触后电位。多个神经元之间的兴奋可以通过突触传递这种方式传递神经元的兴奋，还可以通过电场效应进行传递。

                                                         神经冲动的传递

从突触采集到脑电信号需要两个条件，一个是神经元的放电活动要同步，二是神经元形成的电场活动要一致。电场效应是仪器采集到脑电的主要原理之一，即动作电位产生电流，电流又产生磁场，磁场又影响临近神经元细胞上的动作电位，从而同时兴奋多个神经元。

开放电场与封闭电场

 

Rafael Lorente de Nó把神经组织的空间结构分为开放电场和封闭电场[2]

                                                 △Rafael Lorente de Nó

 

如果各个神经元的树突朝着一个方向，则构成开放电场（如下图所示），灰质的第三层和第五层细胞是比较典型的开放电场的结构。在这种情况下，每个神经元的同步活动产生的电场一致，就会出现电场叠加，达到一定程度才可以在头皮上记录到。

如果神经元之间的排列杂乱无章，就会构成封闭电场（如下图所示），即使同步放电，也会因为电场方向相反，相互抵消，总和接近为0，从而使远距离的部位不能记录到神经元活动的电位。

 

 

实际上，脑组织的结构很难达到每个神经元排列方向一致的情况。因此，我们所采集到的信号是部分神经元的活动，而不是所有的神经元活动。

脑电采集方法

 

脑电所采集的数据仅为部分神经元的活动，但是脑内的具体活动情况又是无穷多的，为了解决这个问题，科学家采用了许多办法，这些方法包括无损伤和损伤两类。无损伤方法包括：增加电极，通过高密度记录电极的数据，结合复杂的数学程序和若干假设，进行分析运算；与高空间分辨率的脑功能成像方法结合（如PET、fMRI、fNIRS）。

                              △无损方法：Noninvasive-scalp EEG(非侵入式颅外脑电）

                                                       △EEG和fNIRS共同采集

 

损伤方法包括：手术中的颅内技术、脑损伤或脑局部切除患者的颅外记录、动物模型的急慢性埋藏电极记录等。

△损伤方法：Electrocorticography(ECOG)-intracranial EEG (IEEG)颅内脑皮质电位

由于损伤方法均有一定的创伤性，在目前的研究中无损伤方法使用比较广泛，易被大众接受。

目前市场上脑电采集系统所采用的原理大同小异，最大的区别在于电极以及抗干扰能力，常见的电极有干电极和湿电极，还有特殊电极。干电极在实验的准备阶段比较方便，但是信号质量稍差于湿电极信号。

 

                                                               △干电极

湿电极是通过导电膏或盐水减少电极与皮肤之间的阻抗，但是它在准备方面花费时间比较长，但是信号质量比干电极好。湿电极还分为金属电极和非金属电极，金属电极的导电性要高于非金属电极，但是一些特殊场景，比如磁共振不适用，这就需要使用非金属电极。

                                                   △干导电膏电极（湿电极）

 

除了干电极和湿电极等常用的电极外，还有一些专门测试特殊位置的特殊电极。

                                                        △前额电极

如何选择脑电设备？

 

一般选择脑电的话要考虑到两个因素，一个是环境因素，一个是测试精度。

根据环境选择：

脑电最大问题是抗干扰能力，它决定环境的复杂程度，其次是电极的性质，可以根据测试环境进行选择。如果是在周围环境比较嘈杂的情况下，如户外或运动下，可以选择带有屏蔽技术的脑电，可以极大的提高信号质量，降低信号伪迹；如果是在特殊情况，如核磁共振的测试环境下，就要选择含有非金属电极的脑电；若想要缩短实验准备时间，可选择干电极，它可以大大减少实验前的准备时间，但是信号质量稍微比湿电极采集的信号质量略差一些。

根据精度选择：

由于有些神经元放电产生的磁场会彼此之间相互抵消，脑电所采集的信号并不是所有参与活动的神经元的生物电信号，而是采集参与活动的部分神经元的放电活动，因此，为了更加明确的探索产生生物电信号的具体位置，需要高密度记录电极的数据。如果对精度要求比较高如可以选择较多通道数和比较高的采样频率，如情感识别[3]、兵乓球运动员的视觉反馈[4]等；如果对精度的需求不是很高，可以选择常用的通道数，如8导、20导、32导。

主流脑电设备对比

 

西班牙的Neuroelectrics生产的NE以及荷兰TMSi生产的 SAGA，是目前市场上主流的两款脑电设备，下文将对它们进行详细对比。

NE

西班牙的Neuroelectrics，简称NE，包含有干电极（无需导电膏，准备时间缩为5分钟）又包括湿电极（导电膏电极），还有特殊电极即前额电极（仅用于前额测试），除了这些电极还有固体凝胶电极（它是市场上少有的固体凝胶电极）。

                                                           △固体凝胶电极

NE的优点是采集单元中添加有三轴加速度传感器，可以将加速度和EEG同步采集。在数据展示方面，NE增加了实时功谱图和频谱图，其软件内还设置了有限（FEM）方法的3D建模功能，以白质或者灰质显示电场，其电场值可视化。

                                                                     ↓

                                                         △NE3D建模功能

SAGA

                                                             △SAGA产品图

荷兰TMSi生产的 SAGA脑电测试系统，主要为湿电极，且都为金属电极，包括环形电极（可以与经颅磁刺激共同采用）、杯状电极（Ag/AgCI杯状电极，耐久性好）、盐水电极，还有特殊电极即cEGrid耳周电极格栅（专门测试耳朵周围的EEG脑电信号）。

它的优点是采集单元和数据接受单元是分开的，既可以进行有线连接，也可以进行无线连接，最重要的是SAGA采用了主动屏蔽技术，消除电源噪音干扰及导线扰动的影响因素。它最大可采集64个通道数据，最高频率可达4096Hz。

为了方便客户的使用，市场上的脑电设备均配有一体式电极帽。可与fNIRS（功能性近红外光谱）和tDCS（经颅直流电刺激）同步采集。

                                                          △一体式电极帽

两种主流脑电设备对比

	NE	SAGA
电脑帽系统	10-10系统	10-20系统
单极通道数	8/20/32	32/64
采样频率	500Hz	512/1024/2048/4096Hz
输入带宽	0-250Hz	0-800Hz
加速度	是	否
设备同步	是	是
数据传输	无线传输/本地储存	无线传输/有线传输/卡扣传输/本地储存
主动屏蔽技术	否	是
Matlab数据采集	否	是
Matlab数据处理	是	是
3D建模	是	否
经颅磁刺激的同步	同时采集	外部触发
fNIRS的同步	同时采集	外部触发
生理仪器	外部触发	在同一个软件中采集
电极	湿电极（导电膏电极）、干电极、固体凝胶电极	湿电极（环形电极、杯状电极、盐水电极）
特殊电极	前额电极	cEEGrid耳周电极格栅
是否用于MRI环境	是	否

综上所述，脑电图既有优势又有不足，但它仍是心理学、医学、神经科学的好帮手。

参考文献：

[1]Haas, L F (2003). “Hans Berger (1873-1941), Richard Caton (1842-1926), and electroencephalography”. Journal of Neurology,Neurosurgery & Psychiatry. 74 (1): 9. doi:10.1136/jnnp.74.1.9. PMC 1738204. PMID 12486257.[2] Larriva-Sahd, J. A. . (2014). Some predictions of rafaél lorente de nó eighty years later. Frontiers in Neuroanatomy, 8, 147.

[3]林鸥. (0). 基于64导脑电信号的后悔情感识别. (Doctoral dissertation).

[4]Hülsdünker T, Ostermann M, Mierau A. Motion-Onset Visual Potentials Evoked in a Sport-Specific Visuomotor Reaction Task [published online ahead of print, 2020 Jul 14]. J Sport Exerc Psychol. 2020;1-12. doi:10.1123/jsep.2019-0255