[科普中国]-脑电波

脑电波（Electroencephalogram,EEG）是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法，大脑在活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。1

脑电波来源于锥体细胞顶端树突的突触后电位。脑电波同步节律的形成还与皮层丘脑非特异性投射系统的活动有关。脑电波是脑科学的基础理论研究，脑电波监测广泛运用于其临床实践应用中。1

2020年3月30日，美国加州大学旧金山分校的科研团队把人的脑电波转译成英文句子，最低平均错误率只有3%，发表在《自然·神经科学》杂志上。2

概念人的大脑是由数以万计的神经元组成的，脑电波就是这些神经元之间的活动产生的电信号，这些神经元之间的连接有的是兴奋的，有的是抑制的；思维活动就是反应这些神经元之间的联系，大脑中的神经元会接收来自其他神经元的信号，当这I些信号的能量积累量超过一定的阐值时，就会产生脑电波，为了检测到脑电波，人’们通常将电极放置在人的头皮上来检测脑电波信号，再应用相关的设备进行脑波的收集与处理。4

脑电波中单导联脑电信号确定性较差、随机性强,非线性研究受到一定的限制,识别结果较差;而多导联脑电信号包含着更多的脑活动的信息,它更能反映脑活动的整体信息。1

研究历史早在1857年，英国的一位青年生理科学工作者卡通（R.Caton）在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动，并发表了“脑灰质电现象的研究”论文，但当时并没有引起重视。十五年后，贝克（A.Beck）再一次发表脑电波的论文，才掀起研究脑电现象的热潮，直至1924年德国的精神病学家贝格尔（H.Berger）看到电鳗发出电气，认为人类身上必然有相同的现象，才真正地记录到了人脑的脑电波，从此诞生了人的脑电图。1

2020年3月30日，美国加州大学旧金山分校的科研团队使用人工智能（AI）解码系统，把人的脑电波转译成英文句子，最低平均错误率只有3%。这项研究发表在《自然·神经科学》杂志上。2

研究发现在直接从脑电波中解码语音的研究中，脑机接口系统仅限于解码单音节，或在志愿者连续念出约100个单词的情况下，只正确解码不到40%的单词。2

研究团队从机器翻译中获得启发，训练了一种循环神经网络。研究中，4名志愿者被要求大声重复朗读30至50句话。他们大脑外侧皮质上分布着大量微电极，可以监测到相应的大脑神经活动。这些脑电波数据输入人工智能系统后，先被编码成一串序列，然后解码成相应的英文句子。2

这项研究展示了以高精度和自然语速来解码皮层脑电图。在对其中一个志愿者的脑电波解码任务中，平均每句话只有3%需要纠正——胜过专业人工速记员平均5%的错误率。2

波段划分现代科学研究表明，人脑工作时会产生自发性电生理活动，该活动可通过专用的脑电记录仪以脑电波的形式表现出，在脑电研究中，至少存在有四个重要的波段。5

脑电波是一些自发的有节律的神经电活动，其频率变动范围在每秒1－30次之间的，可划分为四个波段，即δ（1－3Hz）、θ（4－7Hz）、α（8－13Hz）、β（14－30Hz）。除此之外，在觉醒并专注于某一事时，常可见一种频率较β波更高的γ波，其频率为30~80Hz，波幅范围不定；而在睡眠时还可出现另一些波形较为特殊的正常脑电波，如驼峰波、σ波、λ波、κ-复合波、μ波等。5

δ波频率为1~3Hz，幅度为20~200μV。当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡或麻醉状态下，可在颞叶和顶叶记录到这种波段。5

θ波频率为4~7Hz，幅度为5~20μV。在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中这种波极为显著。但此波为少年（10－17岁）的脑电图中的主要成分。5

α波频率为8~13Hz（平均数为10Hz），幅度为20~100μV。它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激时，α波即刻消失。5

β波频率为14~30Hz，幅度为100~150μV。当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波，当人从噩梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。5

在人心情愉悦或静思冥想时，一直兴奋的β波、δ波或θ波此刻弱了下来，α波相对来说得到了强化。因为这种波形最接近右脑的脑电生物节律，于是人的灵感状态就出现了。5

用途功能研究研究教育娱乐领域，可以利用脑电信号控制游戏，训练对注意力的控制能力；人工智能领域，可以利用脑电信号控制智能轮椅、汽车中控系统等。6

临床检测测量脑部病变的常用方法是测量脑电波，常用的是脑电图（英文简称为EEG）检测，即通过按照一定规则放置在头皮上的电极来观察脑电波活动的过程。脑电图是脑神经细胞群的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。临床实践表明，脑电波中包含了大量生理与疾病信息，所以我们通过对脑电波的处理，可以为脑部病变的鉴定提供依据。3

本词条内容贡献者为:

江松敏 - 副教授 - 复旦大学