脑电图：大脑的“隐形电报”，如何捕捉神经元的“群聊信

脑电图：大脑的“隐形电报”，如何捕捉神经元的“群聊信

房璐 荥阳市人民医院 脑电图室

一、引言

大脑作为人体最复杂的器官，其功能实现依赖于1000亿个神经元通过电化学信号构成的动态网络。单个神经元的电活动虽微弱（约10-50微伏），但当大量神经元同步放电时，其叠加电场可穿透颅骨被头皮电极捕获，形成脑电图（EEG）。这种技术自1924年德国精神病学家汉斯·伯格首次应用以来，已成为神经科学、临床医学和脑机接口领域的核心工具。本文旨在揭示EEG的技术原理、采集方法及临床价值，为公众理解这一“隐形电报”提供科学依据。

 

二、神经元电信号的产生与传导机制

（一）神经元电活动的生物物理基础

神经元通过动作电位（Action Potential）实现信息传递。当神经元受到刺激时，细胞膜对钠离子（Na⁺）的通透性突然增加，导致膜电位从静息态（-70mV）快速去极化至+30mV，形成“全或无”的电脉冲。这一过程涉及：

1. 钠通道激活：阈刺激（约-55mV）触发电压门控钠通道开放，Na⁺内流引发去极化；

2. 钾通道延迟开放：去极化至峰值后，钾通道（K⁺）开放，K⁺外流导致复极化；

3. 钠钾泵恢复：通过主动运输恢复离子浓度梯度，为下一次动作电位做准备。

（二）神经元群体的同步放电

单个神经元的电活动难以穿透颅骨，但当相邻神经元在毫秒级时间内同步放电时，其叠加电场可形成足够强的信号。例如，海马体CA1区的锥体神经元群体同步放电时，头皮电极可记录到0.5-2毫伏的电位变化。这种同步性由神经递质（如谷氨酸）和电突触（缝隙连接）共同调控，是EEG信号的主要来源。

 

三、脑电图采集技术：从头皮到数字信号的转化

（一）电极布置与导联系统

EEG通过国际10-20系统布置电极，该系统以鼻根至枕外隆凸、左耳至右耳的连线为基准，按10%-20%的比例定位电极点（如Fp1、Fz、C3等）。电极与头皮间填充导电膏以降低阻抗（通常＜5kΩ）。导联系统分为：

1. 单极导联：参考电极置于耳垂或乳突，记录电极点与参考点的电位差；

2. 双极导联：记录两个相邻电极点的电位差，适用于定位局灶性异常。

（二）信号采集与处理流程

1. 原始信号放大：前置放大器将微伏级信号放大10⁵-10⁶倍，同时抑制共模干扰（如50Hz工频噪声）；

2. 滤波处理：通过带通滤波（0.5-70Hz）去除肌电（EMG，＞100Hz）、眼电（EOG，＜4Hz）等伪迹；

3. 数字化转换：以250-2000Hz的采样率将模拟信号转换为数字信号，存储于计算机进行分析。

（三）伪迹识别与去除技术

EEG信号易受多种伪迹干扰，需通过时域、频域分析进行识别：

1. 眼电伪迹：眨眼或眼球转动产生垂直眼电（VEOG）和水平眼电（HEOG），表现为高频尖峰；

2. 肌电伪迹：咀嚼、皱眉等面部肌肉活动产生50-100Hz的高频噪声；

3. 心电伪迹：心脏电活动通过血管传导至头皮，形成周期性QRS波群。

去除方法包括独立成分分析（ICA）、小波变换和人工标注剔除。例如，ICA可将混合信号分解为独立成分，通过识别眼电成分的特征波形（如0.3Hz的眨眼信号）进行去除。

 

四、脑电波形的分类与生理意义

（一）经典脑电节律

根据频率范围，EEG波形分为以下类型：

 波形类型    频率范围（Hz）   生理状态       临床关联    

     δ波       1-4         深度睡眠        脑损伤                                                     （代谢性脑病）

                                             

 θ波        4-8           儿童     

           放松状态       注意力缺陷、

            （癫痫前兆）

 α波        8-13          闭眼清醒      焦虑症、

            （阿尔茨海默病）

 β波        13-30         警觉、思考     帕金森病、

            （药物过量）

γ波        ＞30         感知、注意力    精神分裂症、

           （冥想状态）

 

（二）节律性波形的动态变化

EEG波形随任务状态动态调整。例如，执行计算任务时，前额叶β波功率增加20%-30%；而冥想时，θ波和γ波同步性增强，提示默认模式网络（DMN）的抑制。这种动态性为脑功能评估提供了生物标志物。

 

五、脑电图的临床应用：从诊断到治疗监测

（一）癫痫的“电指纹”诊断

癫痫是EEG应用最成熟的领域，其核心价值在于捕捉发作间期和发作期的异常放电：

1. 局灶性癫痫：表现为单侧前额叶或颞叶的棘波（Spike，持续时间＜70ms）和尖波（Sharp Wave，70-200ms）；

2. 全面性癫痫：双侧同步放电，如3Hz棘慢波综合（典型失神发作）；

3. 长程监测：24小时视频脑电图（VEEG）可提高局灶性癫痫的检出率（从常规EEG的30%提升至60%-70%）。

案例：一名12岁男孩因反复愣神就诊，常规EEG未见异常，但24小时VEEG捕捉到左侧颞叶3Hz棘慢波，确诊为颞叶癫痫，调整抗癫痫药物后1年未再发作。

（二）脑功能评估与预后判断

1. 昏迷患者：EEG分级系统（如Young分级）通过波形复杂性评估预后。例如，爆发抑制模式（Burst Suppression）提示严重脑损伤，死亡率高达80%；

2. 痴呆患者：阿尔茨海默病患者EEG表现为后头部α波减少、θ波增多，与海马体萎缩程度正相关；

3. 脑死亡判定：持续电静息（EEG平线）是脑死亡的核心标准之一，需排除低温、药物中毒等干扰因素。

 

（三）睡眠障碍的分期依据

EEG是睡眠分期的金标准。通过结合眼电图（EOG）和肌电图（EMG），可将睡眠分为：

1. N1期：θ波占20%-50%，伴缓慢眼球运动；

2. N2期：出现睡眠纺锤波（12-14Hz）和K复合波；

3. N3期：δ波占20%以上，为深度睡眠；

4. REM期：低幅混频EEG，伴快速眼球运动和肌张力丧失。

应用：阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）患者REM期比例减少，与日间嗜睡程度正相关。

 

六、脑电图的局限性与发展方向

（一）技术局限性

1. 空间分辨率低：EEG信号源于皮质表面数平方厘米的神经元群体，难以定位深部脑结构（如基底节）的异常；

2. 假阴性率高：约30%的癫痫患者在常规EEG中无异常放电，需结合磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）提高诊断率；

3. 伪迹干扰：肌电、心电等伪迹可能掩盖微小异常，需严格操作规范。

（二）前沿技术进展

1. 高密度EEG：采用256通道电极帽，空间分辨率提升至1-2cm，可重建皮质电流源；

2. 脑机接口（BCI）：通过解码运动相关脑电（如μ波、β波），实现瘫痪患者控制机械臂或外骨骼；

3. 人工智能辅助诊断：深度学习模型（如CNN）可自动识别癫痫波，准确率达92%，较人工判读提高15%。

 

七、结论

脑电图作为捕捉神经元“群聊信号”的核心技术，通过非侵入性方式揭示大脑的动态功能网络。从癫痫诊断到脑功能评估，EEG已成为临床不可或缺的工具。未来，随着高密度电极、人工智能和脑机接口技术的发展，EEG将在精准医疗和神经康复领域发挥更大价值。理解这一“隐形电报”的原理与应用，不仅有助于公众科学认知大脑，更为神经疾病患者带来希望。