脑电硬件丨人类如何观测大脑？脑成像技术概览（上）

前言

人类的大脑只有大概1400克左右的重量，但却构成了这个世界上最为复杂、精密的机器。大脑在结构上是一个由神经突触联结而成的神经元网络，包含了百亿级的神经元和百万亿级的神经突触连接。大脑在功能上极具多样性，我们所有的智能活动，如注意、学习、记忆、沟通，情感和决策等，都依赖于大脑神经细胞有组织的活动和功能。时至今日，人类对大脑的核心功能，如意识的产生，情绪和情感，记忆和创造能力等依然知之不多。意识的生物学基础更是位列《科学》十大人类未解答的科学问题。鉴于脑科学研究在科学、经济、社会和军事领域的重大价值和意义，美国、欧盟和日本都先后出台了“脑计划”，旨在探索人类大脑工作机制、绘制出人脑活动图谱，了解人脑的运行机理，从而取得脑与认知科技的战略制高点，为医疗，认知科学，人工智能，以及新兴产业的发展提供关键基础和支撑。

图1. 神经元和神经元的链接

大脑的认知规律和教育与学习的联系是脑科学实验室重点关注的研究方向。脑科学的发展为我们认识理解学习机制和过程提供了重要科学手段。学习和认知发展最终体现在大脑神经活动层面上变化，本质上就是对脑的再塑造。对脑发育的研究，对学习过程中脑机制的研究，对发育障碍机制和干预的研究，这些科学成果都能够为改进和完善教育方法、人才培养机制提供证据和指导。

主流的脑成像技术

要想研究大脑的发育和活动规律，就不得不提到用于观察大脑的仪器和脑成像技术，例如我们经常听到的脑电，CT、核磁等。一些在医疗和科研上应用比较广泛和成熟的脑成像技术包含了以下几种：

EEG:脑电图
MEG:脑磁图
TMS: Transcranial Magnetic Stimulation 经颅磁刺激
ECoG: Electrocorticography 皮层脑电图
LFP: Local Field Potential 局部场电位阵列
fNIRS: Functional Near-infrared spectroscopy 功能性近红外分光光谱成像
PET: Positron Emission Tomography 正电子发射成像
MRI: magnetic resonance imaging核磁共振成像
fMRI: functional magnetic resonance imaging 功能性核磁共振成像

这些主流的脑成像技术可以按它们在时间、空间分辨率上的特性来区分。时空分辨率往往和某一种脑成像技术的功能特性直接相关。而在测量性质上这些脑成像技术又可以分为侵入式测量，非侵入式测量，经颅磁刺激，和需要示踪剂注射等。

图2. 常见脑成像技术在时间和空间分辨率和测量性质上的特性

脑成像技术概览（上）

在本系列文章里，我们将对主流的脑成像技术做一简要的介绍。在本篇文章里，我们首先来关注脑电图(EEG)，脑磁图(MEG)，经颅磁刺激(TMS)，和功能性近红外光谱成像(NIRS) 技术。

一、脑电图（EEG）

1929年德国神经精神病学家Hans Berge首次记录到大脑神经元的动作电位在人体头部表皮产生的电信号。此后，他的研究成果不断得到电生理及神经生理学家的证实，使得EEG学得以发展，沿用至今。

图3. Dr. Hans Berge和他的脑电记录设备以及最初发表的脑电信号

脑电信号源自于由神经元放电产生的uv级别的电流，其传导到头皮要经过软脑膜、蛛网膜下腔、蛛网膜、硬脑膜、颅骨，头皮，所以非常容易受到干扰。通过精密的电子仪器，我们可以在头皮上将神经元集群产生的生物电位加以放大记录而获得脑电信号。大脑神经元的电活动具有自发性、节律性和综合性的特点。脑电主要是通过波幅、潜伏期和电位变动或电流的空间分布等指标来提供大脑工作过程的信息，在医疗和科研上有广泛的应用，比如对睡眠、昏迷、麻醉中意识变化的监测，理解不同认知任务时大脑的活动规律，情感计算等。

图4. 脑电信号的产生及人类头部皮层结构示意图

需要强调的是，脑电技术虽然是一门古老的脑成像技术，但依然是当今最具生命力的主流脑成像技术之一。这主要得益于相比其他脑成像技术，脑电设备的便携性好，使用成本低，无创，高时间分辨率，和丰富的频率信息等显著优势。

图5. 心理学研究中涉及脑电信号应用的研究占比

图6. 脑电在脑机接口相关研究中的应用占比

二、脑磁图(MEG)

在物理学上，我们知道变化的电场产生磁场，两者可以相互转换。大脑的活动直接体现的是神经元动作电位的变化，这是一种电信号。脑电设备采集的就是神经元电活动在人头部表皮形成的动态电场变化。同样，变化的电场在人的颅脑周围产生着磁场，称为脑磁场。这种磁场强度很微弱，需要建立一个严密的电磁场屏蔽室，将受检者的头部置于特别敏感的超冷电磁测定器中，通过特殊的仪器可测出颅脑的极微弱的脑磁波，这样形成的多通道信号阵列便称作脑磁图。

尽管脑电信号和脑磁信号同源于大脑皮层神经元的电活动，两者之间还是有差别的。脑磁信号主要源于神经元细胞内电流产生的磁场，而脑电信号来自锥体细胞产生的兴奋性突触后电位。从信号产生的空间特性上讲，脑磁图检测的是脑沟内锥体细胞产生的磁场，而脑电图检测的是脑回内锥体细胞电活动。

脑磁信号最显著的一个优点是在传导过程中介质的影响小，不受颅骨的影响，抗干扰性强，信号没有扭曲，空间分辨率高。通过与MRI影像融合，利用脑磁信号可对信号源进行精确定位。脑电信号则受介质的影响大，空间分辨率低，定位能力较差。

脑磁信号探测的缺点在于信号强度随与发生源距离的增加而迅速衰减，所以脑磁图很难探测大脑深部的磁信号，而脑电图则有探测大脑深部的电活动的能力。此外，脑磁图设备昂贵，故而对环境要求苛刻，需要建立专业的实验室和脑磁设备操作团队来从事这方面的学术研究。相比之下，脑电图的获得相当廉价，对环境要求相对宽松，在科研和商业市场中得到了广泛的实际应用。

图7.脑磁图设备和脑磁信号分析

三．经颅磁刺激(TMS)

经颅磁刺激（TMS）是一种利用脉冲磁场，作用于大脑中枢神经系统，改变大脑皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起的一系列生理、生化反应的磁刺激技术。经颅磁刺激具有无痛、无创的物理特性，提供了探索脑功能及高级脑认知活动规律的一种高级手段，与PET、fMRI、MEG并称为“二十一世纪四大脑科学技术“。

图8. 经颅磁刺激(TMS)原理示意图(左)和实际实验图(右)

经颅磁刺激（TMS）也可以是一种无痛、无创的绿色治疗方法，可以通过不同频率的磁刺激来达到治疗目的。例如高频（>1Hz）主要是兴奋的作用，低频（≤1Hz）则是抑制的作用。 TMS不使用电极，不用直接接触人体，相对电刺激是一项无创且简便的技术。通过神经网络之间的联系和互相作用，重复TMS 刺激产生的效应可以对多个脑部位功能产生影响，从而达到治疗效果。对于不同病人的大脑功能状况，需用不同的强度、频率、刺激部位、线圈方向调整来取得最佳的治疗效果。经颅磁刺激（TMS）正在临床精神病、神经疾病及康复领域获得越来越多的应用和认可。经颅磁刺激（TMS）不仅是一种刺激技术，还是一项大脑神经调控技术，给临床治疗和科研创造了广阔的空间，在未来还会有更多的新用途被开发出来。

图9展示的就是一种利用经颅磁刺激(TMS)+高密度脑电阵列研究在睡眠和清醒状态下头脑皮层对信息处理不同的科学实验设计。可以看到，在premotor cortex 施加TMS刺激（图中圆圈处）引发的头皮电流强度的峰值（图中+所示）在时间和空间维度上在两种状态的分布是明显不一致的。在清醒状态下，大脑皮层对外部刺激所带来的信息会表达为涉及多个不同脑区的激活和互动，这可以被理解为对信息的代表和综合 (information and integration)。而在深度睡眠状态，同样刺激引发的反应只是集中在刺激施加脑区，且随时间呈单调衰减趋势。这证明在睡眠和清醒这两种意识状态下，大脑活动对信息的表达和综合/集成特性是不同的，这样的实验结果提示我们可以利用信息论的数学工具来对不同意识状态下的脑活动的特性加以表征和刻画。

图9. 使用经颅磁刺激(TMS)+高密度脑电阵列探测睡眠时人脑的活动规律和特点

四．功能性近红外分光光谱成像 (fNIRS)

大脑的工作依赖于血液的新陈代谢为神经元活动提供所需的氧。氧的消耗又刺激大脑局部血管的舒张，导致局部脑血流和脑血容的增加，表现为大脑血氧水平的迅速提高，这就是神经与血管匹配的机制 (Neurovascular Coupling) 。在这个机制的作用下，驱动某一种认知活动的大脑神经活动区域的血氧含量水平将大大超过大脑活动所需的氧。氧是通过血液中的血红蛋白进行传输，因此，在认知活动过程中，大脑活动区域会出现血液中氧合血红蛋白浓度的上升，脱氧血红蛋白浓度的下降。功能性近红外分光光谱成像（fNIRS）和功能磁共振成像技术 (fMRI) 等脑成像技术，都是利用认知活动中脑局部的血红蛋白浓度的变化导致的光学或磁性变化来获得与大脑功能相关的脑活动信号。

图10. 功能性近红外分光光谱成像原理和物理实现

功能性近红外光谱技术利用了血液的主要成分对6000-900NM近红外光良好的散射性,从而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况。成像装置一般由光源，光源探测器、数据采集器等组成。光源通过发光二极管或者是与被试头型匹配起来的光纤束向特定大脑区域发射近红外光，光以香蕉型的路径进行散射，离光束 2-7cm 的光源探测器可以收集到被组织散射回来的光。当光源和探测器的距离设置在4cm时，fNIRS 信号对皮层表面 2-3mm的血氧血红蛋白散射的光最为敏感。

图11. 功能性近红外分光光谱成像实际实验室实现

功能性近红外光谱脑成像技术主要应用在自然情境下高级认知、发展、心理学、异常心理学等多个领域的研究。 fNIRS的研究可以与fMRI等其他成像技术进行结合，开展婴幼儿和特殊人群的认知神经科学研究以及自然情境下大脑认知的神经机制研究。近红外光谱脑成像技术的一个显著优点是无噪音、无创性和对实验过程中被试动作不会过份敏感，所以抗干扰性强，对自然场景中的应用有相当大的潜力。但近红外光谱脑成像技术也存在空间分辨率不高和校正算法有待进一步完善等方面的不足。另外，比起正在兴起的可穿戴式脑电设备，近红外光谱成像的硬件设备的便携性和可实用性仍有明显差距。

小结：

在本篇文章里，我们简单回顾了脑电图(EEG)，脑磁图(MEG)，经颅磁刺激(TMS),和功能性近红外光谱成像(NIRS) 的脑成像技术。这些脑成像技术各具特点，优势和不足。在脑科学研究中经常可以见到脑成像技术组合式的应用。对于在教育领域的实际应用，当前正在发展中的可穿戴式脑电设备是最具潜力进入真实教育场景的脑成像技术门类，因为它在便携性，成本，无创，时间分辨率和频谱信息方面具有巨大的优势。在接下来的一篇里，我们将进入核脑影像成像技术的世界（例如PET，MRI等），去领略那里丰富的物理世界，技术特点，和发明者们令人赞叹的奇思妙想。

参考文献

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7.https://en.wikipedia.org/wiki/Functional_near-infrared_spectroscopy

8.https://baike.baidu.com/item/脑磁图技术9.https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging

10.https://en.wikipedia.org/wiki...

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