腦電波的前世今生*

李穎潔

①上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444；②上海大學(xué) 錢(qián)偉長(zhǎng)學(xué)院，上海 200444

1 源起

通過(guò)特制的電極可以從人的頭皮上采集到微弱的電信號(hào)。1924年德國(guó)精神科醫(yī)生Hans Berger采集到首個(gè)人體腦電信號(hào)，他將其命名為electroencephalogram(EEG)，即腦電圖[1]，也就是人們常說(shuō)的腦電波。這個(gè)看起來(lái)像正弦波的腦電波形，由于是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的，因此人們采用了首個(gè)希臘字母α來(lái)命名它，稱(chēng)其為α波。Berger博士也因其在該領(lǐng)域的出色貢獻(xiàn)，被后人稱(chēng)為“人類(lèi)腦電圖之父”。

關(guān)于腦電的起源，目前公認(rèn)的觀點(diǎn)認(rèn)為：腦電活動(dòng)是由垂直方向的椎體神經(jīng)元和它們的頂樹(shù)突的突觸后電位產(chǎn)生的，在不同的深度測(cè)量到的腦電信號(hào)有不同的名稱(chēng)和應(yīng)用。①臨床上提到的腦電通常是采用Ag/AgCl或金質(zhì)盤(pán)狀電極在頭皮上采集到的信號(hào)，被稱(chēng)為頭皮腦電(scalp EEG)，因其獲取容易且對(duì)受試者沒(méi)有傷害而得到了廣泛應(yīng)用。②將顱骨打開(kāi)，用鉑銥或不銹鋼電極直接從皮層表面采集到的信號(hào)被稱(chēng)為皮層腦電(electrocorticography，ECoG)或顱內(nèi)腦電(intracranial EEG，iEEG)。由于避開(kāi)了頭蓋骨和中間組織的影響，ECoG/iEEG信號(hào)的質(zhì)量要比頭皮EEG好很多。但由于這種采集對(duì)受試者是有創(chuàng)的，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。③如果繼續(xù)深入，用金屬或玻璃探針插入大腦更深的地方，我們就會(huì)采集到局部場(chǎng)電位(local field potential，LFP)，也稱(chēng)為“微腦電”(micro-EEG)[2]。④此外，臨床上還有一種立體定向腦電技術(shù)(stereo-electroencephalography，sEEG)是20世紀(jì)50年代法國(guó)醫(yī)生提出的探測(cè)癲癇發(fā)作的方法，目前多應(yīng)用于對(duì)癲癇病人的治療和病情的評(píng)價(jià)。sEEG通常通過(guò)立體定向框架或機(jī)器人導(dǎo)航，在顱骨上鉆一個(gè)或多個(gè)直徑1～2 mm的孔，然后將電極通過(guò)這個(gè)“孔”插入到大腦深部，以記錄腦電信號(hào)。顯然，這是一種微創(chuàng)技術(shù)[3]。從信號(hào)來(lái)源上看，sEEG信號(hào)本質(zhì)上就是LFP信號(hào)，由于信號(hào)質(zhì)量高，近年來(lái)越來(lái)越多的研究者開(kāi)始借助這一技術(shù)展開(kāi)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究。

頭皮腦電信號(hào)，臨床上常被稱(chēng)為“腦電圖”，是電極記錄下來(lái)的腦細(xì)胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動(dòng)，是大腦神經(jīng)電活動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)經(jīng)過(guò)由皮層、顱骨、腦膜和頭皮組成的容積導(dǎo)體傳導(dǎo)后的頭皮電位差與時(shí)間之間的關(guān)系圖。作為腦神經(jīng)細(xì)胞總體活動(dòng)，腦電是包括離子交換、新陳代謝等在內(nèi)的一系列變化的綜合外在表現(xiàn)。這種電活動(dòng)伴隨生命的始終，一旦主體死亡，電現(xiàn)象就會(huì)隨之消失。深入地研究腦電波的特性將推進(jìn)人們對(duì)自身大腦的探索研究進(jìn)程，增強(qiáng)人們對(duì)相關(guān)疾病的輔助診斷能力，也可能為提高腦功能提供某種工具。隨著全球腦科學(xué)研究的不斷推進(jìn)，腦電這一與腦活動(dòng)直接相關(guān)的電信號(hào)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文將針對(duì)頭皮腦電信號(hào)，從采集、處理分析到應(yīng)用，帶著讀者概覽這一技術(shù)的前世今生。

2 腦電信號(hào)

頭皮采集到的腦電信號(hào)非常微弱，只有10-6V數(shù)量級(jí)。人們通過(guò)電極采集到的信號(hào)常常淹沒(méi)在噪聲里，必須經(jīng)過(guò)低輸入噪聲、高共模抑制比、高輸入阻抗的放大器獲得[4]，然后保存在計(jì)算機(jī)或其他存儲(chǔ)設(shè)備以備后續(xù)處理分析，最后才能將有意義的結(jié)果呈現(xiàn)給研究者(圖1)。

圖1 腦電采集系統(tǒng)框圖

2.1 記錄

隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，腦電采集技術(shù)和裝置也在不斷改進(jìn)中。采集系統(tǒng)由最初的只能記錄1～2個(gè)通道到后來(lái)逐漸出現(xiàn)了6導(dǎo)、8導(dǎo)等多通道腦電圖機(jī)。現(xiàn)在臨床常用的腦電圖機(jī)有16導(dǎo)、32導(dǎo)和64導(dǎo)。在研究領(lǐng)域，目前腦電采集記錄裝置已經(jīng)可以做到512導(dǎo)，大大提高了腦電記錄的空間分辨率。早期的模擬研究預(yù)測(cè)，合適的電極之間的距離應(yīng)為1～2 cm。這樣的話，如果要覆蓋整個(gè)頭部，一般需要超過(guò)100個(gè)電極[5]。但是，也有研究表明，電極過(guò)多會(huì)對(duì)后續(xù)的分析帶來(lái)麻煩[6]。目前，研究領(lǐng)域比較公認(rèn)的是采用64通道腦電記錄儀，既兼顧了一定的空間分辨率，又不至于因?yàn)殡姌O距離過(guò)近而帶來(lái)更多的噪聲。因此，無(wú)論是臨床應(yīng)用還是科學(xué)研究，多數(shù)腦電采集實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)在電極和受試者頭皮之間注入導(dǎo)電膏來(lái)提高電極與頭皮的接觸性能。而這項(xiàng)工作，即使對(duì)于一個(gè)熟練的實(shí)驗(yàn)操作人員而言也是需要花費(fèi)一定時(shí)間的。如一頂64通道的電極帽，要想使得每個(gè)電極位置上的頭皮阻抗達(dá)到要求(例如，小于5 kΩ)，需要30 min左右的時(shí)間。因此在臨床應(yīng)用時(shí)為了節(jié)約時(shí)間、提高患者的依從性，多數(shù)傾向于采用32導(dǎo)及以下通道的腦電系統(tǒng)。當(dāng)然，在特殊用途下的腦電圖電極數(shù)目，要遵循特殊需求，如通過(guò)腦電分析來(lái)定位癲癇發(fā)作的位置，由于定位分析的精確度與電極數(shù)量相關(guān)，因此通常采用高密度腦電采集系統(tǒng)，這時(shí)多采用64～256導(dǎo)系統(tǒng)[5]。為了解決注入導(dǎo)電膏耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，有研究者開(kāi)發(fā)了在鹽水中浸泡后使用的腦電電極、無(wú)需導(dǎo)電膏的干電極。但是，這類(lèi)電極的信噪比還是要低于傳統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)電膏導(dǎo)電的濕電極[7]，要想全面取代濕電極還需要更深入的研究。

如今，采集設(shè)備的便攜性也越來(lái)越好。從世界上第一臺(tái)，幾乎占據(jù)了半個(gè)房間的設(shè)備，到現(xiàn)在只有“巴掌大”的放大器，腦電記錄儀正在向小型化、便攜式、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方向邁進(jìn)。例如，Neuroscan 64導(dǎo)腦電放大器，約一本B5書(shū)的大小(4.5 cm×18.7 cm×21.8 cm)，質(zhì)量?jī)H1.5 kg。設(shè)備的信號(hào)采樣率也由早期的100 Hz、1 000 Hz，到現(xiàn)在的每個(gè)通道20 000 Hz，采集到的信號(hào)質(zhì)量也越來(lái)越好。除了傳統(tǒng)的有線采集系統(tǒng)，越來(lái)越多的研究者研發(fā)出穩(wěn)定工作的無(wú)線腦電采集系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙、Wifi等技術(shù)將信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)浇邮斩?，方便信?hào)的采集和接收。正是這些技術(shù)進(jìn)步使得腦電的實(shí)用性越來(lái)越高。近期，Kam等[8]研究對(duì)比了無(wú)線干電極系統(tǒng)和有線濕電極系統(tǒng)，他們指出在可控實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，目前的干電極無(wú)線采集系統(tǒng)性能從用戶(hù)體驗(yàn)到信號(hào)質(zhì)量都已經(jīng)可以和濕電極有線采集系統(tǒng)相媲美。

2.2 預(yù)處理及分析

人們已經(jīng)明確知道腦電信號(hào)是典型的非平穩(wěn)、非線性的微弱信號(hào)[9]，而且腦電信號(hào)非常敏感，任何心理、生理狀態(tài)的改變都可能帶來(lái)信號(hào)的變化，僅憑目視觀察無(wú)法獲得這些變化的意義，更難對(duì)臨床應(yīng)用有幫助。因此，獲得了信號(hào)后，研究者的主要工作就集中在對(duì)信號(hào)的處理分析上了。預(yù)處理是任何后續(xù)分析的基礎(chǔ)，通常包括濾波、去偽跡(眼電)、去壞段和基線校正等過(guò)程(圖2)。目前，研究者一般采用一些開(kāi)源的預(yù)處理工具來(lái)完成，例如EEGlab和Fieldtrip等Matlab工具箱，此處不贅述。

根據(jù)腦電信號(hào)獲得方式的不同，可以分為自發(fā)腦電(spontaneous，EEG)、誘發(fā)腦電(evoked potential，EP)和事件相關(guān)腦電位(event-related brain potential，ERP)。后兩種信號(hào)通常是在自發(fā)腦電預(yù)處理的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)疊加平均的方式獲得。

自發(fā)腦電是指受試者沒(méi)有進(jìn)行任何任務(wù)或受到任何外界刺激，大腦處于相對(duì)靜息的狀態(tài)時(shí)采集到的腦電，通過(guò)指導(dǎo)受試者采用安靜閉目或直視屏幕中間的方式來(lái)獲得。對(duì)自發(fā)腦電的分析通常包括：針對(duì)單通道信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻分析，針對(duì)多通道信號(hào)之間相互關(guān)系的相互依賴(lài)性分析以及腦網(wǎng)絡(luò)分析等[10]。由于自發(fā)腦電的復(fù)雜性，現(xiàn)在更多的研究?jī)A向于借助事件或任務(wù)來(lái)“誘發(fā)”出特定的腦活動(dòng)變化，以便研究對(duì)應(yīng)的腦機(jī)制。當(dāng)然上述的分析方法仍然可以根據(jù)具體情況來(lái)選擇使用。

EP是一種不同于自發(fā)腦電的大腦電活動(dòng)。張香桐院士給出了這樣的定義：“中樞神經(jīng)系統(tǒng)的任何部位，如果刺激感覺(jué)器官、感覺(jué)神經(jīng)、感覺(jué)通路上的任何一點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的可以測(cè)量的電變化，就叫作誘發(fā)電位?！盵11]它是一種出現(xiàn)在自發(fā)腦電背景上的信號(hào)，比自發(fā)腦電還要微弱。EP的出現(xiàn)與給定的刺激有一定的鎖時(shí)(time locked)關(guān)系，因此通過(guò)疊加平均技術(shù)可以有效提高信噪比，即將多次相同刺激后得到的腦電活動(dòng)以刺激時(shí)刻對(duì)齊，疊加平均得到穩(wěn)定的誘發(fā)電位。通常不同的外界刺激會(huì)誘發(fā)出不同的EP信號(hào)，或者說(shuō)不同感官的誘發(fā)電位是不同的。刺激特性的差異可以清晰地反映在誘發(fā)電位的波形結(jié)構(gòu)上，因此就有了視覺(jué)誘發(fā)電位、聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位。EP信號(hào)具有與刺激出現(xiàn)時(shí)刻嚴(yán)格鎖時(shí)的關(guān)系，而且誘發(fā)出的成分的幅值也受刺激的影響，因此對(duì)EP的分析主要集中在潛伏期(latency)和波幅上，也有一部分研究工作關(guān)注EP的波形結(jié)構(gòu)。

還有一類(lèi)特殊的EP，通過(guò)有意地賦予刺激以特殊的心理意義，利用多個(gè)或多樣的刺激所引起的腦的電位就是所謂的事件相關(guān)電位(ERP)。它反映了認(rèn)知過(guò)程中大腦的神經(jīng)電生理變化，也被稱(chēng)為認(rèn)知電位，是20世紀(jì)60年代由Walter和Sutton等[12-13]最早提出的。如今，ERP分析已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于腦功能研究，在心理學(xué)、生理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及其他生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域都具有很高的研究與應(yīng)用價(jià)值，被譽(yù)為“觀察腦功能的窗口”。對(duì)ERP的分析也集中在潛伏期和電位的幅度上。ERP分析本身并不復(fù)雜，研究的難點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)范式的設(shè)計(jì)和對(duì)結(jié)果的分析解讀。要想用合適的實(shí)驗(yàn)誘發(fā)出穩(wěn)定的特異性成分，需要反復(fù)的嘗試和探索；要想搞清楚每一個(gè)ERP成分的生理基礎(chǔ)和其反映的生理意義需要深入的研究。

除了經(jīng)典的ERP成分分析法，還有研究關(guān)注到那些與事件相關(guān)，但不存在鎖相關(guān)系的振蕩活動(dòng)，被稱(chēng)為“刺激感生”(stimulus-induced)信號(hào)。對(duì)這類(lèi)信號(hào)的振蕩特性分析就是著名的事件相關(guān)腦電去同步(event-realated EEG desynchronization，ERD)/腦電同步(event-realated EEG synchronization，ERS)。還有更一般地，被稱(chēng)為事件相關(guān)譜擾動(dòng)(event-related spectral perturbation，ERSP)分析[14]，通常是對(duì)每一次試次(trial)的信號(hào)分別進(jìn)行譜分析，然后將多次同樣刺激下的譜分析結(jié)果進(jìn)行疊加平均后得到。這種分析也被稱(chēng)為“事件相關(guān)腦振蕩活動(dòng)動(dòng)力學(xué)”(event-related dynamics of brain oscillations) 。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，有研究者提出了更新的觀點(diǎn)。2002年Makeig在《神經(jīng)科學(xué)進(jìn)展》(Trends in Neuroscience)上發(fā)文提出用“事件相關(guān)腦動(dòng)力學(xué)”(event-related brain dynamics)來(lái)統(tǒng)一腦電生理研究[15]。2004年他再次發(fā)文提出了他們的動(dòng)力學(xué)模型，指出無(wú)論是傳統(tǒng)的疊加平均后得到的ERP信號(hào)，還是感生的(induced)腦電活動(dòng)的譜特性，或者是兩者的簡(jiǎn)單結(jié)合都不能完整地刻畫(huà)數(shù)據(jù)包含的事件相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性[16]。Makeig提出綜合采用信號(hào)處理和可視化方法來(lái)刻畫(huà)空間分布的事件相關(guān)腦電動(dòng)態(tài)變化。首先，用 ICA對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，不僅將偽跡成分去除，還可以將彼此獨(dú)立的成分分離出來(lái)；然后，采用ERSP和試次間相干(inter-trail coherence，ITC)對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，建立事件相關(guān)的時(shí)頻狀態(tài)空間；最后，通過(guò)逐試次可視化(trial-bytrial visualization)觀察ERP圖像(ERP image)完成整個(gè)分析過(guò)程。此處的ERP圖像不同于傳統(tǒng)的通過(guò)多個(gè)試次的信號(hào)疊加平均后得到的ERP，而是采取某種規(guī)則對(duì)所有試次的信號(hào)進(jìn)行排序后得到的。如按照受試者完成任務(wù)的反應(yīng)時(shí)排序[17]，這樣得到的ERP與僅僅根據(jù)刺激鎖定(stimuluslocked)得到的ERP結(jié)果是不一樣的，可以提供更多的對(duì)應(yīng)腦電源的事件相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析。

筆者認(rèn)為可以將上述分析統(tǒng)稱(chēng)為事件相關(guān)腦電分析，它分析的信號(hào)是任務(wù)態(tài)，即所謂的與某種事件相關(guān)聯(lián)的腦活動(dòng)，分析的內(nèi)容不僅有時(shí)間特性(如ERP)、譜特性(如ERSP)，還關(guān)心其他可能的特性。無(wú)論是哪種分析方法，最終的目的都是用來(lái)刻畫(huà)腦功能特性。2010年Dauwels等[18]撰文針對(duì)基于E E G的阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)患者的早期診斷的眾多研究進(jìn)行了比較，這是少有的將眾多方法放在一起進(jìn)行比較的文章，雖然只是針對(duì)AD的早期診斷的同步分析方法，但結(jié)論對(duì)其他研究依然有借鑒意義。他們發(fā)現(xiàn)很多分析方法的相關(guān)性非常高，這提示我們?cè)谶x擇不同分析方法的時(shí)候要在明確信號(hào)特性的前提下有的放矢地選擇。

2.3 與其他技術(shù)的結(jié)合

每一種技術(shù)都有自身的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，將具有不同優(yōu)勢(shì)的技術(shù)結(jié)合起來(lái)以提升研究的水平，是研究者最容易想到的辦法之一。腦電記錄技術(shù)由于其具有很高的時(shí)間分辨率，在認(rèn)知科學(xué)研究領(lǐng)域，常常被用來(lái)和其他技術(shù)相融合，以期達(dá)到更好的研究效果。

2.3.1 與功能磁共振成像技術(shù)

功能磁共振成像技術(shù)(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是腦功能研究中最得力的研究工具之一，其原理是利用磁振造影來(lái)測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)所引發(fā)之血液動(dòng)力的改變。fMRI由于其具有非侵入式、沒(méi)有輻射暴露問(wèn)題的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。fMRI具有優(yōu)秀的空間分辨率，可以追蹤“細(xì)致”到毫米級(jí)的腦活動(dòng)變化(1個(gè)體素代表1 mm3量級(jí))。目前，臨床上磁共振成像技術(shù)(MRI)的磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)從0.5 T發(fā)展到3 T，磁場(chǎng)強(qiáng)度為7 T的MRI系統(tǒng)也已經(jīng)商業(yè)化。大量fMRI研究開(kāi)始在7 T的MRI系統(tǒng)上進(jìn)行，大大提高了信號(hào)的信噪比[19]。但是這一技術(shù)的缺點(diǎn)是時(shí)間分辨率較差。相對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)信號(hào)，fMRI信號(hào)在時(shí)間上有1～10 s的延遲，也就是說(shuō)這一技術(shù)的時(shí)間分辨率最高只能達(dá)到“秒”級(jí)。雖然研究者也給出了一些改進(jìn)時(shí)間分辨率的方法，但依然無(wú)法與EEG相比。

在常用的腦功能研究技術(shù)中，EEG具有最高的時(shí)間分辨率，而fMRI具有最高的空間分辨率[20]。EEG和fMRI已經(jīng)被證明是腦功能研究中最有效的兩種無(wú)創(chuàng)研究手段，將兩者結(jié)合可以解決時(shí)間分辨率和空間分辨率不能同時(shí)都高的問(wèn)題，EEG-fMRI也因此成為多模態(tài)研究中最受關(guān)注的方法之一[21]。例如，Pisauro等[22]采用同步EEG-fMRI技術(shù)研究了人們基于價(jià)值的決策過(guò)程中的證據(jù)累積過(guò)程(evidence accumulation，EA)的活躍腦區(qū)。在基于價(jià)值的決策過(guò)程中，EEG表現(xiàn)出特異的結(jié)果，作者將計(jì)算模型、同步記錄的腦電和fMRI相結(jié)合，分析得到在基于價(jià)值的決策過(guò)程中的關(guān)鍵腦區(qū)是額葉后內(nèi)側(cè)皮質(zhì) (posterior-medial frontal cortex，pMFC)。

事實(shí)上，這兩種技術(shù)的結(jié)合也面臨著技術(shù)瓶頸，如安全問(wèn)題和偽跡問(wèn)題。研究初期，由于MR具有很強(qiáng)的靜態(tài)磁場(chǎng)以及在圖像采集過(guò)程中快速變化的梯度，使得MR掃描儀對(duì)EEG的采集以及受試者的安全都造成很大的影響[23]。隨著相關(guān)研究的不斷深入，研究人員通過(guò)硬件改造和算法改進(jìn)等方式，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了信號(hào)質(zhì)量。目前，很多解決方案已經(jīng)商業(yè)化，有效地促進(jìn)了相關(guān)研究的發(fā)展[24]。

2.3.2 與經(jīng)顱磁刺激技術(shù)

經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)是一種磁刺激技術(shù)。它利用脈沖磁場(chǎng)作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，改變皮層神經(jīng)細(xì)胞的膜電位，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動(dòng)，從而引起一系列生理生化反應(yīng)。TMS同步EEG記錄(TMS-EEG)技術(shù)不僅在腦科學(xué)研究中占據(jù)著獨(dú)特的地位，在臨床上也有很好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)成為研究大腦興奮性和連通性的有力工具[25-26]。采用TMS技術(shù)，人們可以主動(dòng)干預(yù)參與認(rèn)知活動(dòng)的腦區(qū)，并通過(guò)分析在干預(yù)過(guò)程中同步記錄的EEG信號(hào)，可以研究大腦活動(dòng)的瞬時(shí)變化，從而了解特定腦區(qū)在認(rèn)知活動(dòng)中扮演的角色。借助TMS-EEG，人們可以研究TMS刺激對(duì)功能障礙的改善作用、對(duì)任務(wù)表現(xiàn)的影響，還可以研究刺激對(duì)皮質(zhì)活動(dòng)的抑制或激活作用，以及在臨床上研究腦疾病的病理生理學(xué)等[27]。

在這類(lèi)研究中，碰到的最大的問(wèn)題也是偽跡問(wèn)題。TMS會(huì)在EEG信號(hào)上“誘發(fā)”出巨大的偽跡，以至于無(wú)法正常地對(duì)EEG進(jìn)行常規(guī)分析。目前，最普遍的去除方法是直接“截除”震蕩偽跡(ringing)，再通過(guò)插值補(bǔ)足數(shù)據(jù)，最后用ICA去除諸如肌電、眼電等其他偽跡。有最新研究稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)了全自動(dòng)單脈沖TMS-EEG數(shù)據(jù)中偽跡去除的算法ARTIST，通過(guò)與手動(dòng)去除偽跡的效果對(duì)比，表明自動(dòng)去除算法取得了更佳的結(jié)果[28]。ARTIST和手動(dòng)算法的理論基礎(chǔ)一致，因此目前還沒(méi)有從根本上徹底解決TMS誘發(fā)的大偽跡的方法[29]。

2.3.3 其他

此外，EEG與功能近紅外成像(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)、眼動(dòng)儀等方法也多有結(jié)合。例如，眼動(dòng)研究借助眼動(dòng)儀，記錄被試執(zhí)行任務(wù)時(shí)眼睛視線的運(yùn)動(dòng)軌跡，以研究被試執(zhí)行任務(wù)時(shí)的認(rèn)知功能等。腦電與眼動(dòng)結(jié)合的研究問(wèn)題多與注意力、視覺(jué)的研究有關(guān)，也有與腦疾病相關(guān)[30]。隨著眼動(dòng)和腦電采集設(shè)備的簡(jiǎn)易化、便攜化，兩者結(jié)合的這個(gè)領(lǐng)域還處在方興未艾階段，有很多待“開(kāi)墾”的研究。

3 廣泛應(yīng)用

與其他腦影像技術(shù)相比，EEG信號(hào)獲取便利，設(shè)備成本相對(duì)較低，能實(shí)時(shí)反映腦活動(dòng)變化，因而得到研究者的持續(xù)關(guān)注。目前，EEG的應(yīng)用和研究涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越寬，包括臨床應(yīng)用、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、腦機(jī)接口、神經(jīng)心理學(xué)、神經(jīng)教育學(xué)和神經(jīng)管理學(xué)等。本文只簡(jiǎn)略地對(duì)臨床應(yīng)用研究相關(guān)的成果作介紹，其他內(nèi)容讀者可以進(jìn)一步查閱相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行深入了解。

EEG的臨床應(yīng)用主要是在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和精神類(lèi)疾病上，范圍包括輔助診斷、病程進(jìn)展評(píng)估和輔助治療等。其中，診斷和評(píng)估的研究占據(jù)了絕大部分，而輔助治療方面的研究除了后面提到的腦機(jī)接口有比較好的應(yīng)用，還大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

目前，腦電較成功的臨床應(yīng)用是在癲癇的診療領(lǐng)域。當(dāng)年，Berger博士發(fā)現(xiàn)EEG時(shí)的實(shí)驗(yàn)，就是用于癲癇發(fā)作診斷和定性描述的實(shí)驗(yàn)。作為癲癇診斷中最重要的檢查項(xiàng)目之一，常規(guī)腦電圖是診斷癲癇的首選檢查。因?yàn)槟X電圖檢查時(shí)常常是在發(fā)作間期，無(wú)法提供更多有用的信息，所以臨床上，監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)腦電或結(jié)合觀察患者行為表現(xiàn)的視頻腦電圖(video EEG)，成為鑒別發(fā)作性質(zhì)及類(lèi)型的最有效的檢查方法之一，亦是國(guó)際上普遍采用的癲癇和癲癇綜合征分類(lèi)的重要依據(jù)。當(dāng)然，隨著sEEG技術(shù)的進(jìn)步，癲癇發(fā)作的精準(zhǔn)源定位有望通過(guò)sEEG獲得[31]。

再以阿爾茨海默病為例，這是一種神經(jīng)退行性疾病，占全世界4 600多萬(wàn)癡呆癥病例的近70 %。雖然AD沒(méi)有治愈方法，但是準(zhǔn)確的早期診斷和對(duì)疾病進(jìn)展的描述可以提高AD患者及其護(hù)理人員的生活質(zhì)量。目前，AD的診斷采用標(biāo)準(zhǔn)化的精神狀態(tài)檢查，通常需要昂貴的神經(jīng)影像學(xué)掃描和侵入式的實(shí)驗(yàn)室檢查來(lái)輔助，這使得診斷費(fèi)時(shí)且昂貴。EEG已經(jīng)成為研究AD的一種非侵入式替代技術(shù)，可與更昂貴的神經(jīng)成像工具(如MRI和PET)相競(jìng)爭(zhēng)[32]。近幾十年，很多研究都試圖找到腦電的生物標(biāo)記作為輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive disorder，MCI)和AD的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)。例如，Babiloni等[33]使用枕區(qū)的δ和α1電流密度作為線性單變量分類(lèi)器的輸入對(duì)正常人和AD患者進(jìn)行分類(lèi)，準(zhǔn)確率達(dá)到75.5 %。在對(duì)帕金森病的研究中也發(fā)現(xiàn)，EEG緩慢化趨勢(shì)和全局認(rèn)知損傷有關(guān)聯(lián)，而在長(zhǎng)期跟蹤研究中發(fā)現(xiàn)，主要的頻帶活動(dòng)減少以及θ波的增加，表現(xiàn)為EEG緩慢化，被認(rèn)為是認(rèn)知損傷的生物標(biāo)記[34]。在精神疾病領(lǐng)域，也有大量的基于EEG的研究工作。例如，Pizzagalli等[35]發(fā)現(xiàn)治療前的前喙扣帶皮質(zhì)θ活動(dòng)可以作為預(yù)測(cè)抑郁癥恢復(fù)良好的預(yù)后標(biāo)記(治療非特異性生物標(biāo)記)。綜上，EEG具有一定的輔助診斷能力，可以在一定程度上幫助預(yù)測(cè)疾病的治療。通過(guò)EEG對(duì)疾病的病程進(jìn)行評(píng)估可以幫助醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，以獲得更好的療效。但是，由于結(jié)果的不穩(wěn)定性，個(gè)體差異性大，大多數(shù)研究還是局限在實(shí)驗(yàn)室，真正直接用于臨床診斷的還很少。

在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，腦電的足跡幾乎遍布所有子領(lǐng)域，從語(yǔ)言、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、感官到情緒，直至冥想，可以這么說(shuō)，凡是與人的大腦相關(guān)的活動(dòng)，都有基于腦電的研究工作。近年來(lái)，在腦電信號(hào)的應(yīng)用中，最引起人們關(guān)注的要算腦機(jī)接口(brain computer interface，BCI)了。由于相關(guān)的研究體系越來(lái)越龐大，在這里就不展開(kāi)了，有興趣的讀者可以閱讀有關(guān)的文章[36]。

4 小結(jié)

未來(lái)已來(lái)，隨著人工智能時(shí)代的來(lái)臨，人們對(duì)于人類(lèi)智能的探索熱情空前高漲。腦電信號(hào)作為一種直接來(lái)自于人體的承載著神經(jīng)活動(dòng)特征的信號(hào)，必將在這個(gè)舞臺(tái)繼續(xù)扮演著重要的角色。

總結(jié)起來(lái)，未來(lái)腦電波的研究主要有3個(gè)方面的趨勢(shì)：

(1)首先，由于頭皮腦電的空間分辨率有限，信噪比不高，如果要得到很好的應(yīng)用，必須認(rèn)識(shí)到，偽跡問(wèn)題仍然是限制腦電信號(hào)應(yīng)用范圍的首要因素[37]，解決它是一個(gè)長(zhǎng)期任務(wù)。

(2)其次，機(jī)器學(xué)習(xí)的再次興起，在EEG領(lǐng)域也掀起了熱潮。有研究通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法將癥狀、行為學(xué)、腦功能等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)區(qū)分精神疾病的亞型，提高了輔助診斷的精確率[38]。同時(shí)，我們也注意到，基于腦電分析的結(jié)果由于個(gè)體差異性大，受影響因素多，而較難在實(shí)際應(yīng)用中推廣。因此，未來(lái)可以從兩個(gè)方面著手：其一，進(jìn)一步增加樣本量，形成大數(shù)據(jù)，利用人工智能從中尋找更具普遍性的規(guī)律；其二，針對(duì)個(gè)體差異，尋找制定“個(gè)性化”指標(biāo)體系。

(3)最后，隨著基于EEG的特征提取精度的提高，為將其應(yīng)用到干預(yù)治療系統(tǒng)中提供了可能。

綜上，僅僅利用頭皮EEG研究神經(jīng)機(jī)理是不夠的，一定要輔以其他的技術(shù)手段才可能一探端倪；而由于信號(hào)采集的便捷性、無(wú)創(chuàng)性使得基于EEG的應(yīng)用技術(shù)具有很大的應(yīng)用潛力和前景。