脑的群电活动与睡眠觉醒节律

EEG的参数：波形

人工假相: 技术问题或外部干扰所致，一 般较为短暂

可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运 动、出汗等造成
EEG解释的困难
每个通道的皮层电位是脑内大量神经元活 动组合的反映 源的贡献随着其与电极距离的缩短而非线 性地增大 在向头皮传递过程中受脑膜、头骨和皮肤 影响可能会衰减或扭曲
动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递 的信号 神经元相互结合成电网络，同时也可按某 种节律同步放电 群电活动可以通过表面或深部电极加以记 录

Brain is Electric……
脑内的电信号有
膜电位 动作电位 突触后电位 And a lot more……
脑使用电信号的优势…
电信号的时间精度(temporal accuracy)远 超化学信号 有可能进行多点(multi-site)的实时(realtime)记录 有可能进行无创(non-invasive)检测 适合进行高级分析
EP/ERP的特性
空间特性: 只能在特定的空间范围内检测到 时间特性: 具有特定的波形和强度分布 相位特性: 刺激和反应之间存在锁时(timelocked)关系

EP / ERP的起源
大部分源于大脑皮层, 因为皮层神经元有特 殊的层状排列 部分可能反映了脑干神经元的活动 EP / ERP均反映了脑内神经元群体的活动


将电极直接放在暴露的动物脑表面，发现存在 电信号，发表于1875年 1887年, Caton通过干扰落在动物眼中的光线， 检测到脑电的负向波动
History of EEG

Dr. Hans Berger, 奥地利精神病学家



首次记录人体脑电 十八世纪20年代早期，利用移动感光纸和闪动 光点记录脑电，发现每秒10次的常规波动 由于这是他第一个从人类EEG中分离出来的波， 他将此波动命名为波 1929年，Berger发表了该结果，这是有关人类 脑电的第一篇论文
脑波的起源

甚至单个细胞在外来 刺激下也会产生振荡
脑波的起源

目前认为，神经细胞 的内在特性(intrinsic properties)及其相互 间的突触连接决定了 神经网络的振荡特性
EEG的参数：波幅
EEG的参数：波形

正常波形
EEG的参数：波形
• 正常变异
EEG的参数：波形

病理波形

脑干听觉诱发Leabharlann Baidu位(BAEP)
运动诱发电位 (MEP)
在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激 在下游通路上记录诱发电位 可利用经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation, TMS) 应用：客观、定量地反映中枢运动功能
运动诱发电位(MEP)
ERP与EP的区别
ERP研究中要求被试的主动参与 用于ERP研究的刺激不能单调 至少需要两种模式、序列或种类的刺激 ERP的外源性成分与刺激的物理性质相关, 而内源性成分(如P300, N400等)则与认知 活动相关

十八世纪30年代，首先命名了波和波 第一个采用EEG作为脑电图的缩写名称 提出波幅度小于波 指出波与集中注意力和惊跳反应有关
History of EEG

Dr. Hans Berger



1931年，发现波在睡眠、全身麻醉、使用可 卡因等情况下消失 发现脑损伤造成颅内高压的患者波幅度减低 发现癫痫患者的高幅脑电波 发现Alzheimer‘s病和多发性硬化患者存在EEG 改变
EEG脑地形图
功率谱分析
EEG与基础医学研究
EEG与基础研究

EEG与运动功能

成人: no无肯定的关系 儿童: 脑电高频者 fast reaction time反应时间 较短 正性情绪时左侧额叶EEG活动增加 负性情绪时右侧额叶EEG活动增加

EEG与情绪


EEG与基础研究


EEG与IQ

计算机辅助下的EEG分析

在计算机协助下，可以

生成脑电地形图 声称三维重构影像 进行功率谱分析 以及其它许多分析
绘制意识之图
数字化的EEG

模/数转换(A/D converter) 采样间隔(sampling time interval): 0.005 - 0.01 s 实时(real time)记录 定量EEG: 可用于显示、滤 波、频率及波幅分析、以及 彩色地形图

内源性事件相关诱发电位 (ERP)



短潜伏期体感诱发电位 (SLSEP)
几乎不受意识状态影响 外周及中枢通路都很清楚 成分之间的关系及其传导途径也较清楚 在临床各科室有广泛的应用

短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)
脑干听觉诱发电位 (BAEP)
主要用于耳科学 用于各种听觉检测中 用于了解听神经及脑干通路活动 用于诊断影响这些通路的功能性或结构性 疾病
根据MRI图像灰度值 将影像分割成不同的 组织类型 (皮肤、骨骼、 灰质、白质、脑脊液)
N Top
3D头部建模
根据这些组织类型生 成具有解剖精度的三 维头部模型 根据组织类型给每个 象素赋予电学特性数 值
将ERP和MRI的数据空间融合
P300在头皮上的生物电模型
P300在皮层表面的模型
偶极子源模型


潜伏期: 反映传导功能 幅度: 参与放电的神经元 成分缺失: 严重损伤的存在

进一步还需研究EP活动的来源
ERP的多通道记录
ERP长于说明事件在脑 内发生的时刻，却无法 有效地说明他们发生的 位置
Nose
Occipital
Right
Left
ERP的脑地形图
P300在头皮表面电场 分布的2D地形图 利用内插值法可以计 算出头皮上任何一点 在任何时刻的电位
采用真实的头模型计 算逆问题的解
Summary
EP/ERP可以反映视网膜、视觉通路、内耳、听神经、脑 干、外周神经、脊髓后索、感觉皮质以及上下运动神经元 的各种病变，事件相关诱发电位则用以判断患者的注意力 和反应能力。 诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可进行客观评诂， 对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检 测，故当前广泛应用于对神经系统病变的早期诊断，病情 随访，疗效判断，予后估计，神经系统发育情况的评估以 及协助判断昏迷性质和脑死亡等。但图形无特异性，必须 结合临床资料进行判断；不在有关神经传导径路中的病变， 不能发现异常。

EP/ERP的采集：平均策略

平均技术的原理




由于刺激与EP之间存在锁时关 系 而背景噪音与刺激之间的关系是 随机的 多次叠加可以消除噪音影响，增 大信噪比 再除以叠加次数就可以使EP保 持原大小而大大削弱噪音
EP / ERP的种类

外源性刺激相关的诱发电位 (EP)


感觉 (visual or VEP, auditory or AEP, somatosensory or SEP) 运动(电或磁刺激诱发) 记忆和思维相关电位: P300 语言相关电位: N400 准备或预期相关: CNV

P300简介
最经典、最早发现且研 究最广泛的ERP 波形在顶叶中线附近最 明显 主要反映脑对外部信息 的认知过程
P300: 应用




P300与反应时：无必然联系 P300与智能：操作智能越低，P300的潜伏期越 长，幅度越低 P300与测谎：从植物神经生理到神经电生理变化 P300与临床：主要用于各种原因而致的认知障碍 的病人，可以为智能障碍及其程度提供神经电生 理的依据；神经精神药物的药效学和药理学指标
History of EEG

Dr. Hans Berger的谨慎精神


Berger在自己和其它许多人身上反复记录 通过同步记录心电和头部血压变化，排除了由 血循环造成波动假相的可能性 将电极放在皮肤以下记录，排除了波动来自皮 肤的可能性
History of EEG

Dr. Hans Berger
2-20 20-100
Alpha 7.5-13
Beta 14-30
清醒、放松
思维活动 儿童的支配频率，在成 人随困倦和注意而增加 深睡，婴儿支配频率
Theta 3.5-7.5
Delta
0.4-3
20-200
脑波的起源

两种可能的振荡控制

中心指挥型 凑呜曲型
脑波的起源

简单的细胞环路即可 产生振荡

没有肯定的关系 听阈在波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐) 刺激复杂性增加时波抑制增加
EEG与感觉

EEG与基础研究


EEG与感觉

听觉辨别任务难度增加时波抑制增加 当任务不要求注意环境时, (例如心算)比要求注 意环境时顶叶波增加
EEG与注意

EEG的临床应用


癫痫

由于神经元混沌式活动导致的惊厥
睡眠的大部分时间都被浅睡或梦境占据 通常在整个夜晚，只有不足30分钟是真正 的深睡眠 事实上，我们在所谓清醒的日间也很少有 真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的 时候

因此:

我们有必要了解下述两类过程

睡眠和觉醒 梦与非梦
What we will learn
脑电图 脑的状态：睡眠与觉醒

Before we start…
我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过 吃饭和娱乐也会占据另外的1/3时间 在剩余1/3的生命中



童年和各种教育占据1/3 老年时期占据另外1/3 因此，只有大约1/9的生命，大约不足10年时 间，可以用于有效的工作
Before we start…
ERP的生物电模型
研究的真正目的是了解脑内, 而不是头皮上 发生了什么 脑内每一个电活动均可在头皮表面投影成 某种地形图 逆问题：源分析建模
逆问题的进展
使用高密度(例如128导联) ERP记录已降低 测量误差 使用磁力数字化装置定位ERP记录电极在 头皮上的位置
获得被试头部的磁共振影像
影像分割
ERP的定量化与参数提取
波幅(Amplitude) 潜伏期(Latency) 波峰间期(Inter-Peak Latency) 波幅比值和峰间期比值 (Ratio) 波面积 (Area under Curve)

ERP的临床解释
首先建立正常值数据库 理解各种参数的生理学和病理生理学意义
脑的群电活动 (Ensemble Electric Activity) 与睡眠觉醒节律
罗非 教授
北京大学基础医学院神经生物学系
电话: 82801010; Email: fluo@bjmu.edu.cn Website: http://nri.bjmu.edu.cn/ANnet
Before we start…
Dr. Hans Berger
EEG的本质
未知部分
动作电位、兴奋性突触 后电位、抑制性突触后 电位等电位活动的总和 (Eccles, 张香桐, Jung 等)
已知部分
大群神经元的同步放电
EEG的本质
EEG的记录
电极的放置
国际标准10 – 20 系统(Jasper, 1958) Gibbs系统(Illinois system)
睡眠障碍 脑肿瘤
诱发电位(Evoked Potential)与事 件相关电位(Event-Related Potential)
Definition

指对神经系统某一特定部位(包括从感受器 到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对 刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系 统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺 激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位 相的生物电反应。
History of EEG

Dr. Hans Berger

Carl Zeiss基金会注意到Berger的一系列发现 赠送给他电子放大器和特质的示波器，并为他 配备了助手
History of EEG

Dr. Hans Berger


发现癫痫病人在发作后脑波几乎变平； 波随 着意识的恢复而恢复 脑波在出生两月后采出现，与脑内神经元髓鞘 化的过程一致

脑电图(Electroencephalogram, EEG)
EEG简介 EEG的记录 EEG的计算机辅助分析 EEG在基础和临床医学中的应用 事件相关电位

EEG简介
EEG的定义
通过放置在头皮表面的多个电极所 记录到的一组场电位
EEG的历史

Richard Caton, 利物浦内科医生
EEG的记录
参考电极
单极与双极记录
遥控EEG记录 24小时跟踪
EEG的参数：频率
定义：单位时间(秒)内波的个数 单位: 赫兹(Herz, Hz) EEG频率的分类
波: 7.5-13 Hz 波: 14-30 Hz 波: 3.5-7.5 Hz 波: 0.4-3 Hz
频率与波幅
种类 频率(Hz) 波幅(uV) 主导时期 20-60