脑电波与睡眠分类
睡眠5个阶段
当我们进入睡眠状态时，我们的大脑活动有5个阶段。
这就意味着，即使你不知道这些阶段的划分，你睡觉时的体验不总是相同的。
睡眠的第一阶段（Stage 1 Sleep）无论你是否承认，你在经历睡眠的第一阶段时肯定是有意识的。
你是否还记得，当你在听一堂十分无聊的课程或讲座时，打瞌睡、做白日梦甚至当场睡着的经历吗？一般这时，你进入了睡眠的第一阶段。
这时，我们的大脑会发出低频率的、微弱的脑电波，称之为α脑电波（alpha brain waves），以及一些θ脑电波（theta brain waves）。
α脑电波有时也被称为清醒脑电波，因为我们发射出这种脑电波时仍然处于非常清醒的状态。
在这个状态下，我们的身体开始放松，呼吸和心跳频率开始轻微下降。
而我们的大脑则进入另一种创造和休息的状态，此时我们的思维如蜂蜜一般缓慢地流动——啊啊啊啊啊，这种感觉太好了。
你可以认为，睡眠的第一阶段是通向入睡之门。
睡眠的第二阶段（Stage 2 Sleep）在睡眠的第二阶段内，我们发出的脑电波被称为睡眠纺锤波（sleep spindles）和K-复合波（K-Complexes）。
这些是脑活动的瞬时脉冲所带来的产物。
一些科学家认为，从某种意义上来讲，这意味着大脑逐渐将其清醒时的活动停止掉。
在这一阶段，我们很容易被惊醒。
实际上在很多有关睡眠的研究中，大部分在睡眠的第二阶段被叫醒的人，仍认为他们没睡着。
（大部分上课睡觉的也是这会儿被叫醒的）睡眠的第三和第四阶段（deep sleep 熟睡阶段）在睡眠的第三和第四阶段，我们的脑电波频率降到了最低。
这种频率极低脑电波叫δ脑电波（delta brain waves），而我们的大脑则在δ脑电波和θ脑电波之间徘徊。
在这两个阶段内，我们才真正睡着了，因此这些阶段也被称为熟睡阶段（deep sleep）。
我们进入熟睡阶段后，我们的血压、呼吸和心跳频率降到了一天中的最低点。
我们的血管开始扩张，平时储存在我们器官中的血液也流入到我们的肌肉中，对其进行滋养和修复。
脑电波信号处理算法与睡眠状态分类分析
脑电波信号处理算法与睡眠状态分类分析睡眠是人体恢复和调节的重要过程，而睡眠状态的分类与分析对于了解人体健康和疾病的发展具有重要意义。
脑电波信号处理算法在睡眠状态分类和分析中发挥着关键作用。
本文将对脑电波信号处理算法与睡眠状态分类分析进行介绍和探讨。
1. 脑电波信号处理算法概述脑电波信号是从人的头皮上采集到的微弱电信号，代表了大脑神经元的活动。
脑电波信号具有丰富的信息，可以用来研究人体睡眠状态、认知功能、情绪等。
但由于脑电波信号存在着低信噪比、非线性、非平稳等特点，因此需要通过处理算法将其转化为可供分析的有用信息。
常用的脑电波信号处理算法包括：- 预处理：预处理主要包括滤波、去噪等步骤，用于去除脑电信号中的噪声和干扰。
常用的滤波方法有低通滤波、高通滤波和带通滤波等，能有效减少噪声对信号的影响。
- 特征提取：特征提取是将脑电波信号转化为有用信息的关键步骤。
常用的特征提取方法包括时域特征、频域特征和小波变换等。
时域特征主要包括均值、方差、能量等，用于描述脑电波信号的整体特征；频域特征主要包括功率谱密度、频带功率等，用于描述脑电波信号的频率特征；小波变换方法能够提取脑电波信号的时频特征，提供更加详细的信息。
- 分类算法：分类算法是根据特征提取的结果将脑电波信号分为不同的睡眠状态。
常用的分类算法包括支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和决策树等。
这些算法能够根据特征向量的差异从而判断脑电波信号所属的睡眠状态。
2. 睡眠状态分类分析睡眠状态主要包括清醒、浅睡眠、深睡眠和快速动眼期（REM）睡眠。
不同的睡眠状态对应着不同的脑电波特征，因此可以通过脑电波信号处理算法对睡眠状态进行分类和分析。
通过脑电波信号处理算法，可以将脑电信号转化为特征向量，并结合分类算法对不同睡眠状态进行区分。
例如，通过特征提取算法得到的时域特征和频域特征，可以用于训练分类器使其学习睡眠状态的特征模式，从而根据新的脑电信号判断其所属的睡眠状态。
脑电波与睡眠分类
脑电波与睡眠分类人类对睡眠本质的认识，睡眠科学的飞跃发展，得益于脑电波记录技术的开发和应用。
1913年HenviPieron曾发表有关睡眠问题的专著，指出睡眠是一种周期性需要的状态，当睡眠时脑并未完全休息，而以另一种方式在活动，决定睡眠—醒觉周期的是体内的一种主动过程。
1935年Loomis及其同事根据脑电图发现，睡眠包含几个不同的阶段，各有其自身的脑电活动特征。
1935年Aserinsky及Kleitman发现睡眠过程中周期性地出现眼球快速运动，开睡眠结构研究的先河。
人脑是体内最复杂的器官，成百亿个神经细胞相互间以复杂的神经纤维相连结。
这种连结有二种方式——电突触和化学突触。
极少部分信息是通过电脉冲直接跨越相连处进行传递，这叫电突触。
绝大多数信息是靠化学物质来进行传递，在平时一个神经细胞的纤维于末梢处合成并贮存着神经递质，当需要时神经细胞就产生电脉冲，顺纤维而下到达末梢神经递质释放，跨越一间隙，神经递质作用于相连接的神经细胞膜上。
细胞膜上有特殊接受部位，神经递质与受体结合后会引起很复杂的电变化或化学变化，这种突触叫做化学突触。
上百亿个神经细胞之间，通过极为复杂的纤维联系，借助电突触或几十种化学突触来进行信息传递。
数目庞大的神经细胞间这些电变化，通过综合可以反映在脑的电变化上，这就是脑电波形成的基础。
在头皮上粘贴片状电极，通过电信号放大系统，最终可以记录脑活动形成的微弱电流。
这种电流很小，只有1伏特的百万分之一，通常用微伏来表示。
记录脑电波的仪器叫作脑电图机，将记录到的脑电变化用图纸描记下来就是脑电图，英文叫做electroencephalogram，其缩写为EEG。
清醒状态下的脑电波是一种低幅快波，每秒钟13次以上，又称β波。
清醒时闭上眼，什么事也不想，这时的脑电波与睁眼时相比稍高稍慢，每秒8～12次，这种脑电波叫。
波。
当脑电波中。
波逐渐消失，出现一些不规则波形时，我们就会犯困，所谓瞌睡或朦胧期，就是指这一期，其时间的长短因人而异。
第十第六觉醒睡眠与脑电活动
⑶以60次/s的节律性电刺激来刺激 丘脑非特异投射系统，干扰丘脑 非特异投射系统与皮层神经元之 间的同步化联系，脑电图出现去 同步化快波，引起α波阻断。
2．脑电波的形成机制 ⑴皮层表层的电位变化是大量皮层 神经元突触后电位同步总和形成 的，其中锥体细胞同步发生的突 触后电位的总和起重要作用。
⑵皮层神经元的同步化节律源于丘脑 ① 对轻度麻醉动物的髓板内核群 施加8-12次/s的节律性电刺激， 在皮层会引导出类似α波的脑 电活动；
一、学习和记忆 learning & memory 学习:是指人和动物不断接受环境变化 的信息而获得外界知识(新的行 为习惯或经验)的神经活动过程； 记忆:是将获得的知识进行贮存和读 出的神经活动过程。 学习是记忆的前提，记忆是新的学习 的基础。
(2)异相睡眠:脑桥被盖外侧区ACh神经 元;脑桥-外膝状体-枕叶锋电位PGO 启动异相睡眠。 2.神经递质 慢波睡眠： 脑干5-HT抑制,而腺苷、PGD2促进睡眠 异相睡眠： 中缝核5-HT和蓝斑核NE终止睡眠
第七节 脑的高级功能 Higher Nervous Activity of the Brain
⑵操作式条件反射 operant conditioned reflex 操作式条件反射是动物通过完成一定 的操作所建立起的条件反射。 A.大鼠在实验箱内走动偶尔踩到杠杆 时→即得到食物,如此重复多次， 动物即学会自动踩杠杆而得食。 B.此基础上训练动物只有当某一特定 信号出现时踩杠杆才能得到食物的 强化。训练完成后,动物见到特定 信号，才会去踩杠杆而得食。
⑵α波梭形和α波阻断 正常人α波在清醒、闭目、安静时出现， 呈由小变大，又由大变小的梭形变化， 称为α波梭形。每个梭形持续1-2s。 当受试者睁眼或接受刺激时α波消失并 转为快波，称为α波阻断。
脑电活动及觉醒、睡眠
A
B
刺激家兔腓总神经引起的躯体感觉诱 发电位（SEP）
主反应：
先正后负的电位变化 在皮层投射有特定中心 区 与刺激有锁时关系
次反应：
扩散性延续反应 在大脑皮层无中心区 与刺激物琐时关系
后发放：
一系列正相周期性电 活动
意义：感觉在皮层的投
射定位
三、觉醒(arousal)与睡眠(sleep) 1. 觉醒状态的维持 ➢ 行为觉醒(behavioral ~)：黑质DA系统 证据：破坏该系统后无探究行为 ➢ 脑电觉醒(electroencephalogram ~)： • 蓝斑上部NA系统(紧张性作用) 证据：破坏后快波↓, 但仍能短时唤醒 • 脑干网状结构ACh系统(时相性作用) 证据：注入阿托品后脑电呈慢波
第六节 脑电活动及觉醒、睡眠
一、脑电图(electroencephalogram) ➢ 自发脑电活动 (spontaneous electric activity of the brain) NhomakorabeaHz
V
常见部位
出现条件
8-13 20-100 枕叶 成人安静、闭眼、清醒时 14-30 5-20 额、顶叶 成人活动时 4-7 100-150 颞、顶叶 少年正常时, 成人困倦时 0.5-3 20-200 颞、枕叶 婴幼儿正常时,成人熟睡时
出现不规则β波，眼电增强，肌电减弱 感觉进一步减退，唤醒阈高，骨骼肌松弛， 反射减弱，眼球快速运动，部分躯体抽动， 血压升高，心率加快，呼吸加快但不规则， 做梦者多见 脑桥被盖外侧区胆碱能神经元活动，称异 相睡眠启动神经元(PS-ON N) 脑桥被盖、蓝斑和中缝核的去肾上腺素能和 5-HT能神经元为异相睡眠关闭神经元
人类睡眠深度与脑波活动的相关研究
人类睡眠深度与脑波活动的相关研究在生物界中，睡眠是一种基本的生理需求。
人类一天中近1/3的时间都要用于睡眠。
然而，睡眠对人类身体和心理的影响仍不完全了解。
进一步了解人类睡眠深度与脑波活动的相关研究，对理解睡眠及相关疾病具有重要意义。
人类睡眠分为REM（快速眼动）和非REM两种不同阶段，且REM睡眠具有高度的脑代谢活动，而非REM睡眠则较为平稳。
随睡眠阶段的变化，人类脑内产生的不同脑波频率也相应地变化。
其中，人类脑波主要包括Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma五种频率。
早期研究表明，Delta波通常与深度睡眠相关，其频率范围为1-4Hz。
而Theta波则被认为是与轻度睡眠以及梦境相关，主要在4-7Hz的频率范围内。
Alpha波活动很弱，但其频率范围在8-13Hz，是休息和放松的状态下的指标。
Beta波是脑电活动中最快的波，一般在14-30Hz的频率范围内，通常与视觉、听觉等感知输入相关。
最后，Gamma波的频率非常高，范围在30Hz以及以上，主要与人类学习、思考、记忆等认知功能相关。
越来越多的研究表明，不同人的脑波活动与表现的性格以及认知能力也存在密切的联系。
例如，比较活跃的Gamma波与更高的工作记忆容量、更佳的表现和创造性想象力联系在一起。
较灰暗的Delta波则与抑郁、失眠和精神障碍等有关。
这些联系表明，脑波活动可能作为睡眠及认知研究的一个重要指标。
最近的研究还表明，在睡眠过程中，婴儿和成年人的脑波活动也有较大的差异。
对于婴儿来说，Delta波拥有更长的持续时间，因此幼儿时期大部分时间都处于 Delta 波状态，随着年龄的增长，Delta波的时间逐渐减少，相应的Theta波占比也会不断增加。
总体而言，人类睡眠深度与脑波活动的相关研究还有许多待深入探究的问题。
通过了解脑波活动与睡眠的关系，研究人员可以深入探讨睡眠的生理学和心理学特征，而这些特征可能有助于更好地理解和治疗睡眠障碍、神经系统疾病等相关问题。
睡眠和脑电波
睡眠和脑电波很多世纪以来，科学家对人类活动的各个细枝末节都进行了事无巨细的研究，对人类的睡眠时间却一直兴趣寥寥。
睡眠似乎是医学探索无法触及的一个领域，被认为是一种被动的状态，在睡眠期间，身体和大脑处于安静和无反应状态——最适合从空无中创造出意义的诗人和释梦者的一个领域。
但在20世纪30年代，这一情况发生了变化，科学家发现大脑中的化学反应会产生电波，这种电波可以在身体表面被探测到。
下一步就是在头皮上放置一些感应电极，捕捉脑电活动记录。
这种记录以每秒周数为单位，被称为脑电图（EEG）。
最初，这种脑电图是被记录在纸质图表上的，现在脑电图的跟踪记录会直接存入电脑。
根据脑电波所产生的脑区、主体的清醒度，以及所传输信息的迫切程度，脑电波的大小和频率各有差别。
这些不同状态产生了不同速度（快和慢）和幅度（大和小）的脑电波。
因此，显示在脑电图上的大脑活动图会不断变化，当主体的大脑处于活跃状态，并进行具体的思维活动时，脑波快而小；当主体在休息或处于深度睡眠状态时，脑波大而慢。
为了理解这种脑波记录，可以想象你正站在一个池塘边。
你往池塘里扔了一块小石子，引起一阵涟漪，波纹从池塘中央向四周蔓延。
不同大脑中心的电流活动就像小石子，产生水波，向大脑各处传播。
当你往池塘里面扔进更多石子时，波纹的类型就会发生变化。
扔进一块小石子时，产生的波纹是大而规律的涟漪。
如果你扔进一把小石子，产生的波纹则会相互干扰，变得更杂乱。
与此相似，脑电图的类型也取决于在某个观察点大脑中发生了什么。
如果多个大脑中心处理信息并发射电波，脑电波就会相互干扰，形成的脑波类型小而不规律，看起来比较混乱。
大脑越活跃，脑电波看起来就会越小而快，而且不规律。
不怎么活跃的大脑，其脑电图则会呈现一种更大、更慢、更有规律性的脑波类型。
经过对脑电波数年的研究，有一点变得越来越清晰，那就是睡眠是一种高度复杂且活跃的活动。
在睡眠过程中，大脑不是一直处于消极停顿状态，而会以一种有序的方式经历若干个不同的活动类型。
睡眠分期
睡眠分期关于睡眠人的一生大约有1/3的时间是在睡眠中度过的，充足良好的睡眠能够使我们在白天的工作中保持头脑清醒，精力旺盛，人人都需要睡眠。
那么什么是睡眠呢?目前尚缺乏一个科学的定义，有人认为睡眠是一个被动的过程，而另一些人认为睡眠是一个主动过程。
脑电图是判断清醒与睡眠及区分睡眠各期的金标准。
清醒睁眼时，描记出的脑电波是一种低幅的快波，频率在每秒13次以上，叫β波；清醒闭眼安静时，这时的脑电波和清醒睁眼时比较，波幅稍高，频率每秒8-12次，称为α波。
睡眠状态可分为两期一、非快速眼动期(non rapid eye movement period，简称NREM)特点是脑电波呈睡眠表现，肌肉活动较清醒时减弱，呼吸平稳，心率及血压略下降，不伴剧烈的眼球运动，又可分为四个阶段。
Ⅰ期睡眠:刚入睡时，脑电波中α波逐渐消失，出现一些不规则波形并混有小振幅波，此时即进入第一阶段睡眠，即Ⅰ期睡眠，相当于平常的瞌睡期或朦胧期。
Ⅱ期睡眠：脑电图出现一种特殊的纺锤波，波幅先由小到大，再由大到小,形似纺锤,频率每秒12-14次。
Ⅲ期睡眠：脑电波频率明显变慢，每秒4-7次，波幅增高，出现每秒0.5-3次的极慢波即δ波。
Ⅳ期睡眠，脑电表现基本同Ⅲ期,只是慢波所占比例更大。
Ⅲ、Ⅳ期睡眠合称慢波睡眠，此阶段睡眠程度很深，又叫深睡眠，是十分重要的睡眠阶段。
而Ⅰ、Ⅱ期又称浅睡眠。
二、快动眼睡眠期(rapid eye movement period,简REM)正常人一般在入睡90分钟后进入快动眼睡眠期，每夜睡眠中反复出现4-5次，每次持续约半小时，REM期特点是眼球快速转动，全身肌肉张力极度降低，肌电活动明显减弱，不时伴有肢体或身体其他部位的局部运动，心率、呼吸频率上升，血压可不稳定，男性阴茎勃起，脑电呈现Ⅰ期NREM的特点，此时如果叫醒病人，绝大多数的人会说自己正在做梦，一般都能清楚回忆梦的内容。
现总结如下：睡眠时先进入NREM期NREM期与REM期大约90分钟变换一次前半夜主要为NREM，后半夜REM出现较多入睡后醒觉时间不应该超过总睡眠时间的5%Ⅰ期睡眠占2%-5%Ⅱ期睡眠占45%-50%Ⅲ期睡眠占3%-8%Ⅳ期睡眠占10%-15%NREM占整个睡眠的75%-80%REM则占20%-25%，每夜出现4-6次睡眠的深浅睡眠是我们人类的一种生理需要，大多数人一生中的睡眠时间超过生命的1/3。
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脑电波与睡眠分类
人类对睡眠本质的认识，睡眠科学的飞跃发展，得益于脑电波记录技术的开发和应用。
1913年HenviPieron曾发表有关睡眠问题的专著，指出睡眠是一种周期性需要的状态，当睡眠时脑并未完全休息，而以另一种方式在活动，决定睡眠—醒觉周期的是体内的一种主动过程。
1935年Loomis及其同事根据脑电图发现，睡眠包含几个不同的阶段，各有其自身的脑电活动特征。
1935年Aserinsky及Kleitman发现睡眠过程中周期性地出现眼球快速运动，开睡眠结构研究的先河。
人脑是体内最复杂的器官，成百亿个神经细胞相互间以复杂的神经纤维相连结。
这种连结有二种方式——电突触和化学突触。
极少部分信息是通过电脉冲直接跨越相连处进行传递，这叫电突触。
绝大多数信息是靠化学物质来进行传递，在平时一个神经细胞的纤维于末梢处合成并贮存着神经递质，当需要时神经细胞就产生电脉冲，顺纤维而下到达末梢神经递质释放，跨越一间隙，神经递质作用于相连接的神经细胞膜上。
细胞膜上有特殊接受部位，神经递质与受体结合后会引起很复杂的电变化或化学变化，这种突触叫做化学突触。
上百亿个神经细胞之间，通过极为复杂的纤维联系，借助电突触或几十种化学突触来进行信息传递。
数目庞大的神经细胞间这些电变化，通过综合可以反映在脑的电变化上，这就是脑电波形成的基础。
在头皮上粘贴片状电极，通过电信号放大系统，最终可以记录脑活动形成的微弱电流。
这种电流很小，只有1伏特的百万分之一，通常用微伏来表示。
记录脑电波的仪器叫作脑电图机，将记录到的脑电变化用图纸描记下来就是脑电图，英文叫做electroencephalogram，其缩写为EEG。
清醒状态下的脑电波是一种低幅快波，每秒钟13次以上，又称β波。
清醒时闭上眼，什么事也不想，这时的脑电波与睁眼时相比稍高稍慢，每秒8～12次，这种脑电波叫。
波。
当脑电波中。
波逐渐消失，出现一些不规则
波形时，我们就会犯困，所谓瞌睡或朦胧期，就是指这一期，其时间的长短因人而异。
再进一步就进入浅睡眠期，这就是睡眠的第二阶段。
这一阶段EEG的最大特点就是慢波当中时时会出现一种所谓纺锤形波，频率12～14Hz。
波幅由小到大，再由大到小，呈纺锤形。
一夜中，人有一半时间处于这种浅睡眠状态(即第二阶段睡眠，占总睡眠的50％)。
睡眠再深些，也就是进入了第三阶段睡眠，EEG比第二阶段明显慢，平均频率4～7Hz，振幅也较大，其中极慢频率(0．5～3Hz)，也就是6波，约占25％～50％。
睡眠最深阶段是第四阶段，此时6波占50％以上，偶有小波混杂其间。
第三和第四阶段因为脑电波均很慢，所以合称慢波睡眠；因为睡眠均很深，所以又叫深睡眠。
最初人们以为睡眠可能是一种单一状态，无非是由浅入深，再由深变浅。
早在1939年，美国芝加哥大学生理教研室有位古莱托曼教授，一生致力于睡眠的研究，对人在睡眠时眼球活动很感兴趣：“人在睡眠时眼球活动有什么规律呢?”实验结果发现，睡眠实际上包括两种状态，一种称为非眼球快速运动睡眠(NREM睡眠)；另一种状态称为眼球快速运动睡眠(REM睡眠)，在这个阶段中，眼球出现阵发性过速运动。
NREM睡眠又称正相睡眠，理由是在这个阶段脑电活动的频率随睡眠加深而减慢，符合正常规律。
NREM的另外几种别称是慢波睡眠、同步睡眠及安静睡眠，前两种名称是根据脑电波特征(慢波及同步)而命名的，后一种名称是根据睡眠时的安静行为状态而命名的。
此外，由于作为NREM期脑电波特征的“慢波”、“同步波”及“纺锤波”的英文名称的第一个字母都是4“S”，所以也有人将NREM睡眠阶段称为S状态。
至于REM睡眠，由于其唤醒阈比较深，而脑电活动却类似醒觉或初入睡时，所以又称异相睡眠、也称快波睡眠，去同步化睡眠或活跃睡眠。
由于这一阶段常有梦，英文“梦”的第一个字母是“D”，英文“去同步化”的第一个字母也是“D”，所以又称D状态。
NREM睡眠分为四个阶段，即第一、二、三及四期睡眠，各有其特征性的脑电活动。
第一期睡眠的脑电活动以4～7.5Hz的节律为主，夹杂着一些β节律；一般不应出现纺锤波或K-综合波，即使有的话，其出现频率每分钟不能超过一次。
第二期睡眠的脑电波特征是睡眠纺锤波与K—综合波。
前者是频率为12～14Hz 的高波幅阵发脑电活动，每次发作持续0．5～2秒。
后者的特征是轮廓分明的高波幅负向慢波之后续以一正向成分。
第二期也可出现1～3.5Hz的高波幅(至少75微伏)慢波即δ波，但所占比例应在20％以下。
第三期睡眠的脑电波特征是δ波占整个脑电活动的20％～50％。
如δ波的比例超过50％，便是第四期睡眠。
许多睡眠研究专家认为，第三期与第四期的划分太人为化，没有必要，他们主张将第三期与第四期合并，统称为δ波睡眠，简称δ睡眠。
在δ睡眠之后，再回到第二期，接下来便进入REM睡眠状态。
这一阶段的脑电活动特点是出现混合频率的去同步化的低电波幅脑电波。
另外一个显著的特点是出现阵发性的快速眼球同向转动，其频率约为每分钟50～60次。
此外中耳肌肉也有阵发性活动。
快速眼球运动与中耳肌肉运动是桥脑、眼球运动神经核、外侧膝状体及大脑枕叶皮层阵发性棘波活动的结果。