[科普中国]-脑电记录的零参考

背景

在脑电实践中，诱发电位（EP）和自发电位（EEG）都是反映不同神经源活动的成份。每种成份都可以用一些特性来描述，如极性、头皮区域、频谱、潜伏期和电压幅度。为得到这些特性的准确数值，以不活动电极为参考的电位是我们最希望得到的原始数据。然而，众所周知，实际上只有电位差是可以测量的，所以在无创的头皮记录中设定参考电极是无法避免的。在现行脑电实践中，人们采用过或正在采用的头部与非头部参考电极如耳垂、颈部和平均参考电极等，每一种参考电极都对记录有一定的影响。

由于神经电活动是一个时空过程，因此活动参考电极的影响存在于空间和时间两个方面。参考电极在空间方面的影响，表现为在所有电极记录中加上或减去一个常数，就像提高或降低水平面，但不改变表面状态，因此可以认为，参考电极虽对空间信息有一定的影响，但这种影响不是实质性。

参考电极在时域方面的影响归因于参考电极位置的电活动。如果人体表面上一点或平均值是活动的，它的电位就是随时间而变化的。当以它为参考时，就相当于在所有电极记录中引入了一个不知道且随时间变化的信号。由此可见，活动的参考电极会影响EEG的时域动态分析和频谱分析。为了解决这个问题，人们自然希望能有一个中性电位点来作参考电极，由于在空间上无限远的点是远离神经活动源的，这样的点不会对EEG记录产生任何影响，所以它的电位可以被假设为零，因而是我们理想的参考电极点。事实上，无限远点一直是电磁学中分析场问题时默认的参考电位点。

在脑电文献中，寻找近似的中性参考电极或零电位参考一直是一个争议不休的论题。通常的做法是，根据具体情况，主观判断某个位置的电活动变化比较小而选择之。另一种常用做法是采用平均参考，它的依据是当全脑密集分布记录电极时，理论上所有电极的电位之和为零，然而实际的情况常常是只有上半球有电极分布，且电极数有限，因此，平均参考也会带来明显的非零误差。

为了解决或缓解非零参考这一长期困扰脑电领域的问题，近年来出现了两种新的技术，一个是头表Laplacian （SL）（Hjorth, 1975），一个是无穷远零参考(REST)(Yao, 2001)。SL得到的是流向头表的径向电流密度的估计，从头表电位到SL的过程是不可逆的，且计算过程对噪音比较敏感。脑电经REST处理后的数据仍然是电位，因此适合现行基于电位概念的所有脑电研究。

脑电记录的零参考（ REST）脑电零参考技术（REST：Reference electrode standardization technique,参考电极标准化技术），不是去找头皮上的中性参考电极点或电位零点，而是近似地将以头皮上一点或平均电位为参考的记录，转换为以空间上的无限远点为参考电极的记录。该转换的物理依据是，转换前后的电位都是由脑内的实际神经活动源或它们的等效源所产生的，因此转换前后的电位可以通过共同的物理源联系起来。

REST的物理原理为：假设基于零参考的头皮电位V可以表示为V=GX，X为头内电活动源，G为头模型。在实际脑电记录中，我们只能采用非零参考(a)进行脑电记录，因而得到是一个非零参考的电位va，它可以被表示为 ， 其中Ga为非零参考情况下的头模型。据此，我们可以反演后一方程得到X，然后带入前一方程即得到零参考情况下的V. 。显然在这里我们并不需要知道真正的源信息X，它只是作为一个桥梁被使用，因此，我们可以假设X为真实源的一组等效分布源，从而使完成上述计算步骤的操作大为简化。同样头模型也可以是在等效意义下的一个等效模型。在现有的文献中，头模型一般选择三层同心球模型。源模型一般为离散偶极子层模型，当然也可以为等效分布点电荷模型或等效多极子模型。在原理上，这些模型应该会得到相似的效果，但由于具体问题涉及的方程的数学性态不同，在实际效果上是会有些微的差异，但不会有实质性的不同。

关于REST的效果，已有多篇文献进行了细致的分析研究。结果表明，REST对高级脑功能特别重要的表层皮质区域特别有效。还对不同的电极阵列，不同的导体模型，以及噪音的影响进行的大量研究进一步表明，REST的效果与这些参数有一定的关系，但REST总是比常用的平均参考、以及连接耳参考有更小的参考误差的事实却是一致的。图1 是一个仿真的例子。

脑电零参考的应用REST近似地重建了EEG记录中参考电极的真实电位，而不是以前人们争论的在头表面是否存在真实的零电位点的问题。由于非零参考的问题在现行脑电记录中普遍存在，且是脑电出现以来的一个历史性问题，随着REST的应用，以前的一些研究结论有可能被修改或推翻。比如，它使我们重新思考如下的问题：不同大脑状态的频谱特征，是不是和我们从前以头表某点为参考电极时的记录所得到的结论一致？不同状态之间的振幅差异，不同任务下的诱发脑电的潜伏期差异，以及电极点之间的相关性和脑网络是否明显不同？所有这些都需要新的实验研究来回答。与此同时，为了进一步减小REST的误差，人们将更多地采用多通道EEG系统，从而又可能对相关的产业产生重大的影响。

需要特别说明的是，电生理领域的许多研究人员一直希望能找到一不活动的自由参考电极或零参考点。然而近百年的脑电研究实践表明，这只是一个不切实际的幻想。但基于计算机重建的REST用事实说明了，参考电极的影响可以被显著减少，从而改进EEG的时域分析及频谱分析。REST方法及其应用才刚刚起步，我们期待有更多的同仁加入这一研究行列。