（理論物理專業(yè)論文）腦電磁場(chǎng)及腦內(nèi)源定位研究.pdf

附：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研 成果。對(duì)本文的研究在做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中 以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人承 擔(dān)。 論文作者簽名：童l 睦 日期： 2 q 12 生苧旦 拗：羋鋤虢數(shù)期：學(xué) 摘要 腦功能的研究是生命科學(xué)研究中的前沿領(lǐng)域之一，其中腦電源的探測(cè)在臨 床、康復(fù)、認(rèn)知研究中占有重要地位由于腦電信號(hào)可以通過(guò)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)得到t 因此對(duì)腦電信號(hào)的研究就成為腦研究的熱點(diǎn)之一根據(jù)頭皮記錄到的多道腦電 信號(hào)反演人腦內(nèi)部電活動(dòng)源的信息，即腦電逆問(wèn)題的研究是涉及到計(jì)算電磁場(chǎng) 理論，生物醫(yī)學(xué)工程及信息科學(xué)等跨學(xué)科的交叉性課題，正越來(lái)越多地受到國(guó) 際學(xué)術(shù)界的重視，其研究成果將在探索人的感覺(jué)、認(rèn)知過(guò)程及神經(jīng)疾病診斷等 方面具有重要作用。 本論文是在研究了腦電正問(wèn)題的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了介質(zhì)球模型中z 極子 電位的解析解的研究。本文的主要工作包括如下內(nèi)容： 1 介紹腦電場(chǎng)的研究意義、方法及應(yīng)用前景，腦電的發(fā)生機(jī)理，腦電問(wèn)題 中的基本電磁學(xué)理論及物理模型，腦內(nèi)源定位問(wèn)題的研究進(jìn)展及臨床應(yīng)用。 2 在均勻?qū)щ娗蝾^模型中任意2 極子電位的一般性解析解的基礎(chǔ)上，建立 介質(zhì)球的頭模型，研究z 極子電位的解析解。 3 研究了新型等效源法，將該方法中的球形等效源法用于計(jì)算腦電場(chǎng)的電 位分布。視激勵(lì)源為偶極子，考慮介質(zhì)球頭模型的電容效應(yīng)，給出真實(shí)電源在 非均勻各向同性四層同心介質(zhì)球殼模型中的電位。利用等效分布源理論推導(dǎo)出 無(wú)界空間中任意偶極子源的球形等效源的正演理論公式。為高分辨腦電地形圖 技術(shù)中的重構(gòu)皮層電位提供了一種方法。 關(guān)鍵詞：腦電正闖題，腦電逆問(wèn)題，源定位，介質(zhì)球，解析解，新型等效源 法，正演理論 2 a b s t r a c t r e s e a r c ho nb r a i nf i l n c t i o ni sa m o n gt h em o s ti n t e r e s t i n gp r o b l e m si n a l ll i f e s c i e n c es u t 日e c t s t h ed e t e c t i o no fe l e c t r i c a ls o u r c ei nb r a i np o i s s e s st h ei m p o r t a n t s t a t i o ni nt h er e s e a r c ho ft h ec l i n i c , h e a l i n ga n dc o g n i t i o n d u et od e r i v i n gt h ee e g d a t ab u th a v i n gn oh u r tt oh u m a n ，r e s e a r c h0 ne l e c t t i ca c t i v i t yi nb r a i ni st h ef o c u s a c c o r d i n gt om u l t i c h a n n e l se e gf r o mm g i s t e ro ns c a l p t h ei n f o r m a t i o no ft h e e l e c t r i ca c t i v i t ys o u r c ei nb r a i ni so b t a i n e 正t h a ti ss o - c a l l e di n v e r s ep r o b l e mo fe e g t h cr e s e a r c ho ft h i s p r o b l e m i s i n v o l v i n gt h es u b i e c t s s u c ha sc a l c u l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y , l i v i n gt h i n g sm e d i c a ls c i e n c ec n g i n e e r i n g a n d i n f o r m a t i c sc t c a n dm o r ea n dm o r ea t t a c h i n gi m p o r t a n c et ot h ei n t e r n a t i o n a l a c a d e m i c s 1 1 l cr e s e a r c hw i l lp o s s e s st h ei m p o r t a n te f f e c ta tt h ea s p e c tt h a te x p l o r e s t h ef e c l i n go fm a l l 。c o g n i t i o nc o u r s ea n du e r v cd i s e a s ed i a g n o s i se t c b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef o r w a r dp r o b l e mo fe e gt h ep a p e rd e d u c e st h e c l o s o l u t i o no fe l e c t r i cp o t e n t i a lp r o d u c e db v2 _ t h o r d e rm u l t i p o l ei nad i e l e c t r i c s p h e r e n er e s e a r c hw o r ki sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) n cp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，m e t h o da n da p p l i c a t i o n d i r e c t i o no fe l e c t r i cf i e l di nb r a i n ，p r o d u c em e c h a n i s mo fe l e c t r i ca c t i v i t yi nb r a i n ， b a s i ce l e c t r o m a g n e t i c st h e o r ya n dp h y s i c a lm o d e li ne e gt h er e s e a r c hp r o g r e s s e so f t h el o c a l i z a t i o no ft h es o u r c ei n s i d et h eb r a i na n dc l i n i ca p p l i c a t i o n ( b a s e do nt h ec l o s es o l u t i o no fe l e c t r i cp o t e n t i a lp r o d u c e db yzt h - o r d e r m u l t i p o l ei nau n i f o r m i t ys p h e r e ，f o u n dt h eb r a i nm o d e lo fd i e l e c t r i cs p h e r ea n d d e d u c et h ec l o s es o l u t i o no fe l e c t r i cp o t e n t i a lp r o d u c e db yzt h - o r d e rm u l t i p o l e ( 3 ) t h ep a d e ri n t r o d u c e sn e we q u i v a l e n ts o u r c em e t h o d s p h e r i ce q u i v a l e n t s o u r c eo ft h i sm e t h o di sa p p l i e dt oc a l c u l a t ep o t e n t i a lo fb r a i ne l e c t r i cf i e l d u n d e rt h e d i p o l er e g a r d e da ss t i m u l a t e ds o u r c e ，u s e st h ee q u i v a l e n td i s t r i b u t i o ns o u r c et h e o r yt o d e d u c et h ef o r w a r dt h e o r yo fs p h e r i ce q u i v a l e n ts o u r c eo fr a n d o md i p o l ei nl i m i t l e s s s p a c e 耵蟛n e we q u i v a l e n ts o u r c em e t h o di san e wm e t h o df o rr e c o n s t r u c t i n gt h e c o r t e xp o t e n t i a li nh i g h - r e s o l u t i o ne e gm a p p i n g s k e yw o r d s ：f o r w a r dp r o b l e mo fe e g ；i n v e r s ep r o b l e mo fe e g ；l o c a l i z a t i o no ft h e s o u r c ei n s i d et h eb r a i n ；d i e l e c t r i cs p h e r e ；c l o s es o l u t i o n ；n e we q u i v a l e n ts o u r c e m e t h o d ；f o r w a r dt h e o r y 3 第一章腦電磁特性研究的基本狀況 生物電磁學(xué)是研究生物體電磁現(xiàn)象及其應(yīng)用的- - n 學(xué)科，是計(jì)算電磁學(xué)， 生物醫(yī)學(xué)工程及信息科學(xué)等交叉性的學(xué)科，正越來(lái)越多地受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的重 視。其中對(duì)腦電信號(hào)，特別是對(duì)腦電逆問(wèn)題，即根據(jù)頭皮觀測(cè)電位實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦 內(nèi)部電活動(dòng)源信息的反演研究，更是引起了人們的廣泛興趣。 1 1 腦電場(chǎng)的研究意義、方法及應(yīng)用前景 在人類探索自然界奧秘的過(guò)程中，面臨的最大挑戰(zhàn)大概就是對(duì)自身大腦的 認(rèn)識(shí)，這不僅包括對(duì)腦的病理性疾病( 腦梗塞、腦腫瘤等) 的認(rèn)識(shí)，更重要的 是對(duì)腦的功能性疾病( 失語(yǔ)、弱智等) ，甚至腦的高級(jí)功能( 記憶、理解等) 的 認(rèn)識(shí)。其中最困難的是按照怎樣的一個(gè)理論框架才能逐步研究出腦的功能狀 態(tài)，或者說(shuō)從腦( 神經(jīng)) 的工作原理中分析腦活動(dòng)，最終揭示思維的奧秘。腦 功能的研究之所以困難，不僅是由于腦的發(fā)展歷程極其漫長(zhǎng)，腦結(jié)構(gòu)極其復(fù) 雜，需要諸多學(xué)科的交叉研究，還有一個(gè)原因就是窺測(cè)活體腦的工作過(guò)程極其 困難。從解剖上看，腦被頭骨封閉于其中：從生理上講，血腦屏障阻止了從各種 渠道影響腦工作因素的進(jìn)入。因此腦活動(dòng)的觀測(cè)多從行為實(shí)驗(yàn)出發(fā)，以及利用 動(dòng)物模型。但大腦也留下了幾個(gè)較少的觀測(cè)活體的窗口，如常用的腦電圖 ( e e g ) 、腦磁圖( m e g ) 及眼動(dòng)電圖等。如何在現(xiàn)代科技手段的幫助下，充 分利用這幾個(gè)信息窗口進(jìn)行腦科學(xué)的研究就顯得極為重要。尤其是利用腦電信 號(hào)結(jié)合顱內(nèi)電活動(dòng)計(jì)算的腦電源求解與功能分析在上個(gè)世紀(jì)末更是引起了國(guó)內(nèi) 外學(xué)者的廣泛關(guān)注。 目前，在研究腦工作原理的方法中，應(yīng)用比較廣泛的有借助于醫(yī)學(xué)影象設(shè) 備的功能成像技術(shù)( w w o r r i s o nj r ，e ta 1 1 9 9 5 ) ，如正電子發(fā)射斷層掃描術(shù) ( p e t ) 、單光子發(fā)射層析術(shù)( s p e c t ) 、功能性磁共振成像術(shù)( f m r i ) ，其優(yōu)點(diǎn) 是它們均實(shí)現(xiàn)了較高的空間分辨率另外，一些新的成像理論和技術(shù)也在不斷涌 現(xiàn)，如組織光特性成像( m b a r i n a g a ，1 9 9 7 ) 。這些都在為探索人類的認(rèn)識(shí)和思維 活動(dòng)方面作出著自己的貢獻(xiàn)。盡管如此，e e g m e g 在腦科學(xué)研究和臨床應(yīng)用 方面仍有著不可替代的作用。首先，p e t 、s p e c w 、f m r i 等被動(dòng)型成像手段， 主要提供的是大腦理化功能方面的信息，無(wú)法提供電生理功能的信息，而這卻 4 是e e g m e g 的優(yōu)勢(shì)所在。e e g m e g 是由腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞群的電生理活動(dòng)所產(chǎn) 生的電勢(shì)與磁場(chǎng)，經(jīng)容積導(dǎo)體( v o l u m ec o n d u c t o r ) ( 由皮層、顱骨、腦膜及頭 皮等組織構(gòu)成) 傳導(dǎo)后，在頭皮表面的綜合表現(xiàn)( e ，r k a n d c l ，e ta 1 1 9 9 1 ； l g f j o h ，1 9 8 1 ) 它反映了大腦的電活動(dòng)及其功能狀態(tài)。通過(guò)對(duì)e e g m e g 數(shù)據(jù)的 反演研究，可以定量地提供腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)源的位置、強(qiáng)度及分布情況。其次， 與對(duì)人體有侵襲性的其它技術(shù)不同( p e t , s p e c t 進(jìn)入人體的示蹤劑產(chǎn)生的放射 線，f m r i 的強(qiáng)磁場(chǎng)均對(duì)人體有一定的損害) ，e e g m e g 完全是檢測(cè)生物體的 自發(fā)( 或誘發(fā)) 信息，所以是一種真正的無(wú)創(chuàng)傷性的成像技術(shù)，具有廣泛的應(yīng) 用對(duì)象( 如孕婦、兒童) ，并且可以進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，為研究人員在人體正?；顒?dòng) 的情況下，提供了一扇窺視大腦的窗戶。另外，腦電磁技術(shù)對(duì)大腦神經(jīng)元活動(dòng) 的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以追蹤到毫秒級(jí)，因?yàn)樯窠?jīng)元本身在受到刺激1 0 m s 內(nèi)即可產(chǎn)生 反應(yīng)，而電磁信號(hào)的產(chǎn)生與神經(jīng)的活動(dòng)是同步的，所以e e g m e g 完全能夠反 映大腦神經(jīng)隨時(shí)間變化而改變的活動(dòng)情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦神經(jīng)活動(dòng)的實(shí)時(shí)檢 測(cè)。但p e t 由于受成像速度的限制( 每次成像時(shí)間需1 分鐘) ，其時(shí)間分辨率 很低，而f m r i 在掃描數(shù)秒鐘后才能監(jiān)測(cè)到血流改變的情況( 當(dāng)神經(jīng)產(chǎn)生動(dòng)作 時(shí)，供血量的變化在生理上會(huì)延遲幾秒鐘) ，因此用它們來(lái)觀測(cè)毫秒間的神經(jīng)活 動(dòng)不可能及時(shí)得到時(shí)問(wèn)方面的信息。再者，p e t , f m r i 的成本過(guò)于昂貴( p e t 設(shè)備復(fù)雜，需配備小型加速器，并且現(xiàn)有示蹤劑種類有限：f m r i 設(shè)備要以每1 t 花費(fèi)1 0 0 萬(wàn)美元的代價(jià)研制) 。而m e g 的測(cè)量設(shè)備也十分昂貴，這主要是因?yàn)?腦磁信號(hào)極其微弱，磁感應(yīng)強(qiáng)度在1 0 4 2 1 0 4 5 t 的范圍內(nèi)，僅為地磁場(chǎng)和環(huán)境 磁噪聲的十億分之一。所以對(duì)這些技術(shù)的應(yīng)用普及受到了一定的限制。但是記 錄和分析e e g 所需的硬件設(shè)備就比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，更適合我國(guó)的國(guó)情。因 此，我們選擇對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行研究。目前，在腦科學(xué)的研究中呈現(xiàn)出多種檢測(cè) 技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，如e e g 與m e g 的結(jié)合、e e g m e g 與f m r i 的結(jié)合， 各種技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而為腦功能的研究提供更多的信息。 腦電是生物電的一種。嚴(yán)格地講，e e g 能夠在多種不同的水平上被檢測(cè)出 來(lái)，從直接在腦內(nèi)神經(jīng)元及突觸上( 用微電極) ，到大腦皮層( 用硬腦膜下電 極) ，到僅在頭骨( 用硬腦膜上電極) ，到皮膚表面( 用頭皮電極) 。頭皮e e g 又包括自發(fā)腦電( s p o n t a n e o u se e g ) 和誘發(fā)腦電( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) 兩種。 5 自發(fā)e e g 是指在沒(méi)有特定外界刺激時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)本身自發(fā)產(chǎn)生的電位變化。 e p 是指人為地對(duì)感覺(jué)器官施加光、聲、電以及觸壓等不同刺激后所引起的腦電 位變化，又可分為視覺(jué)誘發(fā)電位( v e p ) ，聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位( a e p ) 及體感誘發(fā) 電位( s e p ) 等。另外，還有一種特殊的e p , 即由各種不同的心理因素( 如期 待、準(zhǔn)備、注意等) 所引起的事件相關(guān)電位( e r p ) 。 正是腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)伴隨著電流，使我們有可能“閱讀”腦的功能狀態(tài)( 生 理、病理、心理、感知、認(rèn)知等) ，只是至今還未能把記錄到的e e g 中所攜帶 的豐富信息全部翻譯出來(lái)，因此如何從腦電信號(hào)中提取我們所關(guān)心的有用信 息，就成為e e g 領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。 從上世紀(jì)二十年代末h a n sb e r g e r 首次發(fā)現(xiàn)人腦電圖以來(lái)，人們就希望通過(guò) 腦電來(lái)了解腦的活動(dòng)情況，但一直沒(méi)有大的突破。直到六十年代隨著計(jì)算機(jī)的 發(fā)展，信息處理方法及計(jì)算電磁學(xué)等的應(yīng)用，才給腦電的研究帶來(lái)了新的活 力。尤其是八十年代中后期以來(lái)，通過(guò)眾多學(xué)科的學(xué)者的不斷探索，對(duì)髓g 的 研究方法與手段才不斷明確與完善起來(lái)，概括地說(shuō)對(duì)腦電現(xiàn)象的研究大致有以 下一些方面。 一是將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于腦電信號(hào)，通過(guò)對(duì)e e g 的分析與變換，尋 找和提取與腦的特定生理或心理狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)，以達(dá)到認(rèn)識(shí)腦的功能狀態(tài)的 目的。在此，自發(fā)腦電信號(hào)被認(rèn)為是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，對(duì)它的處理包括瞬態(tài)的 檢測(cè)與提取，準(zhǔn)平穩(wěn)分段，特征提取，模式識(shí)別與分類以及假設(shè)檢驗(yàn)等。與自 發(fā)e e g 相比，e p 信號(hào)更具特異性，更便于研究大腦特定的信息處理過(guò)程。但 誘發(fā)電位的幅度一般為幾到十幾pv ，而自發(fā)腦電卻可達(dá)幾十到一百多p v ，因 此如何從強(qiáng)背景噪聲中提取有用的e p 分量是首先要面臨的問(wèn)題，其關(guān)鍵在于 提高信噪比。傳統(tǒng)的辦法是通過(guò)多次重復(fù)刺激的疊加平均法，但由于此類方法 需要做一系列假設(shè)，所以e p 的單次提取或稱動(dòng)態(tài)提取就成為近年來(lái)一個(gè)引人 注目的課題，幾乎信號(hào)處理中的每一新方法出現(xiàn)后，都會(huì)被立即用于這一課題 的研究，如各種最優(yōu)濾波法，參數(shù)模型法，小波分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，子空間正則 解，獨(dú)立分量分析以及奇異性檢測(cè)等。值得注意的是，這些方法幾乎還很少能 作到真j 下意義上的單次提取，只是實(shí)現(xiàn)了e p 的少次提取。在e p 提取出來(lái)之 后，就可以利用它來(lái)研究大腦特定的生理、心理狀態(tài)了( 王云華，1 9 9 2 ) 。但是在 6 臨床診斷中雖然e e g 技術(shù)的應(yīng)用己有幾十年的歷史，可到目前為止，分析 e e g 數(shù)據(jù)的主要工具還是入，自動(dòng)分析器的應(yīng)用還很有限。 隨著八十年代中期以來(lái)非線性動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，為人們從系統(tǒng)的角度解 釋腦功能開(kāi)辟了新的途徑。e e g 被認(rèn)為有可能是具有確定性的混沌信號(hào)，而非 無(wú)序的隨機(jī)信號(hào)。人們嘗試用非線性動(dòng)力學(xué)的指標(biāo)來(lái)表征腦電的動(dòng)態(tài)特性，從 而提供一種了解生物體內(nèi)部是如何處理信息的模型。在研究初期，腦電被認(rèn)為 是低維混沌，其相關(guān)維數(shù)幾是有限的分?jǐn)?shù)，最大的李雅普諾夫( l y a p u n o v ) 指 數(shù)a 為正。最近的研究表明腦神經(jīng)活動(dòng)的不同狀態(tài)可以用不同的混沌參數(shù)來(lái)鑒 別。隨著研究的深入，導(dǎo)致了腦電是否源于低維混沌系統(tǒng)的反思，如何正確估 算可能是源于高維系統(tǒng)的腦電的混沌學(xué)參數(shù)，尤其是相關(guān)維數(shù)d ，是近年來(lái)的 研究熱點(diǎn)。 傳統(tǒng)上，對(duì)e e g 及e p 的分析多集中在時(shí)域或頻域上進(jìn)行，如何提取腦電 空間特征中的信息以進(jìn)行腦的研究是近二十年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要方向。對(duì)腦 電進(jìn)行空間分析的最早也是最簡(jiǎn)單的形式是腦電地形圖，包括功率地形圖、e p 地形圖、顯著性概率地形圖，它們是一種集中表達(dá)大腦電生理信息的圖形技 術(shù)，主要突出了空問(wèn)分布信息，但其所反映的內(nèi)容是有限的并且比較粗糙，因 此臨床中腦電地形圖是與e e g 共同使用的。空問(wèn)分析的另外一些形式有電流源 密度法，多道e e g 的相互關(guān)系以及腦電空間波的產(chǎn)生與傳播的數(shù)理模型等。 在e e g 的研究領(lǐng)域中還有一個(gè)基本而且重要的方向就是對(duì)腦電場(chǎng)正、逆問(wèn) 題的研究( 王云華，1 9 9 2 ；李穎，2 0 0 0 ；饒利蕓，1 9 9 8 ) 所謂正問(wèn)題是指在給出頭顱內(nèi)的 腦電源分布特性和與神經(jīng)興奮傳導(dǎo)有關(guān)的容積導(dǎo)體特性的基礎(chǔ)上，求頭表電 位。而逆問(wèn)題則是根據(jù)測(cè)量到的頭皮表面電位信號(hào)的空間分布，來(lái)推算大腦中 產(chǎn)生這些電活動(dòng)的源的信息。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，可以將腦內(nèi)n 個(gè)電興奮源 p 一( 弓，昱，) 與m 個(gè)頭皮電信號(hào)礦- 似，圪) 1 的關(guān)系簡(jiǎn)化為一傳遞系 統(tǒng)。對(duì)腦電正問(wèn)題的研究，就是由給定的源及反映顱腦系統(tǒng)固有特性的傳遞函 數(shù)g 的情況下，求解頭皮表面電位的分布。若m 個(gè)測(cè)點(diǎn)處的噪聲為 一( ，廳2 ，) 2 ，則t 時(shí)刻的腦電場(chǎng)方程為： v ( t ) 一g ( f ) p ( f ) + ( f ) 7 而腦電逆問(wèn)題的研究，是由測(cè)量到的電位分布及傳遞函數(shù)的逆，反演腦內(nèi)神經(jīng) 源的電活動(dòng)的分布及其特性。顯然，比正問(wèn)題更具現(xiàn)實(shí)意義的是對(duì)逆問(wèn)題的求 解，即怎樣從大腦的外部特性來(lái)剖析其內(nèi)部特征。 目前e e g 在確定癲癇、腦萎縮、腦血管病、昏迷、睡眠障礙、顱內(nèi)占位性 病變等方面的臨床應(yīng)用價(jià)值是不可取代的，并且還可用于審核精神藥物的作用 位置，新生兒神經(jīng)功能評(píng)價(jià)等。另外，根據(jù)對(duì)不同刺激的腦電響應(yīng)可以確定腦 功能分區(qū)的位置甚至范圍，進(jìn)而用于探索腦的高級(jí)活動(dòng)規(guī)律，如思維、意識(shí)、 感知，聯(lián)想、記憶等心理學(xué)和認(rèn)知行為方面的研究。在中醫(yī)治療功效，例如針 灸機(jī)理的研究上也將發(fā)揮一定的作用。正是由于e e g 技術(shù)潛在的理論及臨床價(jià) 值，國(guó)際上多種科學(xué)研究基金均對(duì)其予以大力資助。 1 2 腦電的發(fā)生機(jī)理 在頭皮表面記錄到的e e g 是無(wú)數(shù)腦內(nèi)神經(jīng)元( 神經(jīng)細(xì)胞) 和突觸的活動(dòng)所產(chǎn) 生的電場(chǎng)的總體反映，腦電信號(hào)的起源就是由神經(jīng)系統(tǒng)的電活動(dòng)引起的，而神 經(jīng)的電活動(dòng)又取決于細(xì)胞膜的電特性。隨著微電極記錄單個(gè)神經(jīng)元電活動(dòng)技術(shù) 的發(fā)展，形成了腦電的神經(jīng)電生理學(xué)基礎(chǔ)的研究( 陳宜張，1 9 8 3 ) 。對(duì)腦電現(xiàn)象的 研究就是建立在此基礎(chǔ)之上，并側(cè)重于從宏觀角度來(lái)分析生物電現(xiàn)象的。 1 2 1 神經(jīng)元和突觸 神經(jīng)元是人腦的基本組成單位。人們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，人腦大約含有 1 0 ”一1 0 1 1 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，分成約1 0 0 0 種類型。雖然各種神經(jīng)元的形狀、大小、 機(jī)能不盡相同，但卻有其相似之處。典型的神經(jīng)元由細(xì)胞體及它發(fā)出的多個(gè)樹(shù) 突和一條軸突( 神經(jīng)纖維) 組成。大多數(shù)的軸突外面包裹著髓鞘，稱為有髓纖 維，否則稱為無(wú)髓纖維。髓鞘是實(shí)現(xiàn)快速傳導(dǎo)的基礎(chǔ)，它并不是在整條軸突上 連續(xù)的，而是被間隔1 - 3 r a m 的郎飛氏結(jié)( r a n v i c r ) 所問(wèn)斷。軸突終末細(xì)分成幾 個(gè)小枝，其尖端往往膨大成結(jié)節(jié)狀的突觸小體( k n o b ) ，并與其它神經(jīng)元或效應(yīng) 器的細(xì)胞接觸，形成突觸( s y n a p s e ) 。通常一個(gè)神經(jīng)元被幾千個(gè)突觸所覆蓋。興 奮或沖動(dòng)( i m p u l s e ) 從一個(gè)神經(jīng)元向另一個(gè)神經(jīng)元傳遞時(shí)必須通過(guò)突觸。 當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，有微弱的電流在神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生。神經(jīng)元不同部位的電 活動(dòng)特點(diǎn)并不完全相同，總的來(lái)說(shuō)一個(gè)神經(jīng)元可產(chǎn)生四種信號(hào)：輸入，整合、 傳導(dǎo)和輸出信號(hào)大多數(shù)情況下，樹(shù)突接受傳入信息，傳向細(xì)胞體，軸突把信 號(hào)輸出到另一個(gè)細(xì)胞。如圖1 所示( 吳清，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 膜電位與離子學(xué)說(shuō) 圖1 + 神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)示意 輸入信號(hào) 移合信號(hào) 傳導(dǎo)信號(hào) 羧出信號(hào) 神經(jīng)元的電活動(dòng)是由細(xì)胞膜的電特性決定的( 陳宜張，1 9 8 3 ) 。安靜狀態(tài)下的 活體細(xì)胞膜處于電極化狀態(tài)，即膜的兩側(cè)存在著一個(gè)內(nèi)負(fù)外正約一7 0 m v 的電位 差，稱為靜息電位( r e s t i n gp o t e n t i a l ) ，其功能主要是為產(chǎn)生動(dòng)作電位( a c t i o n p o t e n t i a l ) 作準(zhǔn)備。當(dāng)神經(jīng)元受到刺激時(shí)，膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差被降低并同時(shí)提 高了膜的興奮性，當(dāng)興奮性提高到一定程度就會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)或興奮( i m p u l s e ) ，它伴隨著一個(gè)峰形的動(dòng)作電位，此時(shí)膜兩側(cè)的電位發(fā)生一過(guò)性倒轉(zhuǎn)，內(nèi)正外 負(fù)。即膜內(nèi)原來(lái)存在的負(fù)電位迅速瓦解，在短時(shí)間內(nèi)變到約+ 4 0 m v 的水平，構(gòu) 成動(dòng)作電位的上升相( 去極化) ，但很快又恢復(fù)到靜息狀態(tài)的水平，構(gòu)成下降 相( 復(fù)極化) 。在圖形上形成一個(gè)短促的尖脈沖，只持續(xù)l m s 左右。 在解釋生物電產(chǎn)生機(jī)制的理論方面，普遍認(rèn)同的是在b e m s t e i n 的膜學(xué)說(shuō)基 礎(chǔ)上，f l q h o d g k i n 學(xué)派發(fā)展起來(lái)的離子學(xué)說(shuō)( i o n i ct h e o r y ) 。這種理論是以細(xì)胞 膜內(nèi)、外離子分布不均勻和膜具有不同的選擇通透性為基礎(chǔ)的。它認(rèn)為：膜電 位值是由離子的運(yùn)動(dòng)所決定的，在不同的生理狀態(tài)下，透過(guò)膜的各種離子數(shù)量 9 不同，因而呈現(xiàn)不同的膜電位。在生物組織內(nèi)的眾多離子中，與膜電位關(guān)系較 大的有鉀、鈉、氯三種離子。膜內(nèi)、外離子濃度分布的不均勻性是由鈉一鉀泵 維持的。 為了計(jì)算靜息膜電位，1 9 4 9 年h o d g k i n 和k a t z 利用g o l d m a n l 9 4 3 年提出的定 場(chǎng)學(xué)說(shuō)，根據(jù)幾個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)( 即假定膜兩側(cè)的電位差保持恒定不變，則各種 離子通過(guò)膜的流動(dòng)是受其彌散速度與電場(chǎng)的影響) ，推導(dǎo)出以下方程： 既- 等h 笨讎 式中邑為膜電位；r 是氣體常數(shù)；t 為絕對(duì)溫度；f 為法拉第常數(shù)；& 、f k 分 別是k + 、4 + 的通透系數(shù)( p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t ) ( 可理解為離子的電 導(dǎo)) ；k + 1 、k + 1 分別為膜內(nèi)、外k + 濃度；符號(hào)“”表示其它的離子也 l,it l j o 用同樣的表達(dá)方式。產(chǎn)生膜電位的關(guān)鍵是由于離子的透膜運(yùn)動(dòng)造成的平衡電 位，從電化學(xué)位能的角度加以解釋就是：膜兩側(cè)某一離子的濃度能量差與電位 能量差之和為零。 當(dāng)細(xì)胞未處于興奮狀態(tài)時(shí)口氣，結(jié)果k + 的濃度膜內(nèi)高于膜外，脅+ 的 濃度膜外高于膜內(nèi)，此時(shí)g o l d m a n 方程就轉(zhuǎn)化成n e m s t 公式，即膜電位主要由 k + 的濃度梯度所支配，其結(jié)果是形成一個(gè)負(fù)的靜息電位。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到一足 夠強(qiáng)的刺激時(shí)，即去極化過(guò)程達(dá)到一閾值( 通常約高于靜息電位1 5 m v ) ，對(duì)電 壓敏感的脅+ 通道開(kāi)放，使f 乙口足，引起神經(jīng)興奮，這時(shí)g o l d m a n 方程主要受 脅+ 濃度梯度支配，從而產(chǎn)生一個(gè)短暫的正電位。動(dòng)作電位的上升相就是膜外 n a + 快速內(nèi)流的結(jié)果。但膜對(duì)+ 通過(guò)性增加只是暫時(shí)的，緊接著f k 降低，最 增加，直至重建k + 的平衡電位，這就形成了動(dòng)作電位的復(fù)極相。刺激過(guò)后，為 了將f + ，和 n a + 】，恢復(fù)到原來(lái)靜息膜電位水平，鈉一鉀泵被自動(dòng)激活，以使 神經(jīng)元有一個(gè)主動(dòng)的逆濃度差泵出舶+ ，泵入k + 的機(jī)制，磷酸三腺苷酶( a t p ) 為這種電解質(zhì)泵提供了能量，這一過(guò)程就象電池在靜息狀態(tài)下充電，然后在激 活狀態(tài)下放電。 1 0 膜電位的存在是神經(jīng)組織賴以發(fā)揮正常功能的基本條件，只有神經(jīng)元膜電 位的存在才能接收刺激信號(hào)并將這一刺激信號(hào)沿神經(jīng)束傳導(dǎo)、傳遞?？膳d奮組 織的功能異?？赡芘c其膜電位異常有關(guān)。生物電的評(píng)估為詳細(xì)地研究生理現(xiàn)象 的中間過(guò)程提供了一種有效的方法，從而有很大的診斷價(jià)值。 1 2 3 神經(jīng)興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)與傳遞 興奮的觸發(fā)源可以來(lái)自人體內(nèi)部的刺激，如肢體的隨意運(yùn)動(dòng)，一般認(rèn)為是 大腦某處( 可能是皮質(zhì)區(qū)) 首先產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的決定，然后再將命令信號(hào)送到運(yùn)動(dòng) 皮層以控制骨骼肌的動(dòng)作。另外，神經(jīng)細(xì)胞群的激活輸入還可能源自各種感受 器的刺激，如光進(jìn)入眼睛可記錄至i j v e p ，用短暫聲音刺激耳朵，也可在腦千記錄 到a e p ?？膳d奮組織對(duì)各種興奮源的刺激將產(chǎn)生階躍狀( g r a d e d ) 響應(yīng)，并與刺 激的強(qiáng)度和持續(xù)的時(shí)問(wèn)成正比，其值超過(guò)一定的閾值后都將變成同一型式的信 號(hào)，即神經(jīng)沖動(dòng)。神經(jīng)沖動(dòng)在細(xì)胞內(nèi)是通過(guò)傳播動(dòng)作電位以電的方式完成的， 而細(xì)胞間的通訊則是通過(guò)突觸傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 興奮過(guò)程從無(wú)髓纖維的這一段傳到下一段，是由于局部有一個(gè)電流流動(dòng)的 回路( c i r c u i o 。已經(jīng)興奮的點(diǎn)，由于膜的去極化，其電位低于前端尚未去極化部 位，于是極化部位與去極化部位之問(wèn)將出現(xiàn)電流流動(dòng)，這個(gè)局部的電流對(duì)尚處 于靜息狀態(tài)的部位是一個(gè)電刺激，會(huì)降低它的膜電位同時(shí)提高其興奮性，興奮 性提高到一定程度，就在此部位產(chǎn)生新的興奮點(diǎn)。這一過(guò)程沿著細(xì)胞膜重復(fù)進(jìn) 行，導(dǎo)致了動(dòng)作電位的連續(xù)傳播。對(duì)于有髓纖維，其神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)是跳躍式 的，局部電流在郎飛氏結(jié)上產(chǎn)生的電位變化所引起的局部電流將會(huì)擴(kuò)散到一定 的范圍內(nèi)( 而不是僅僅局限于第二個(gè)郎飛氏結(jié)上) 。由于興奮過(guò)程只局限于郎 飛氏結(jié)，不但可以加速傳導(dǎo)速度而且減少了能量消耗。動(dòng)作電位的傳導(dǎo)是再生 式的沖動(dòng)，具有“全或無(wú)”性質(zhì)。因?yàn)殡妷好舾械膎 a + 通道在每次短暫的開(kāi)啟 后，會(huì)對(duì)電位不敏感并暫時(shí)關(guān)閉，稱為不應(yīng)期，它保證只產(chǎn)生一個(gè)一定幅值的 動(dòng)作電位并保證動(dòng)作電位只向一個(gè)方向傳導(dǎo)。 興奮要由一個(gè)神經(jīng)元傳遞給另一個(gè)神經(jīng)元必須通過(guò)突觸，但突觸問(wèn)的生理 過(guò)程并不僅僅是沖動(dòng)的傳遞。突觸從功能上來(lái)講是相鄰細(xì)胞之自j 的電化學(xué) 電聯(lián)接器。如圖1 所示，當(dāng)觸i j 細(xì)胞發(fā)出的動(dòng)作電位，即興奮脈沖到達(dá)突觸 時(shí)，泡囊中的神經(jīng)遞質(zhì)( 如乙酰膽堿) 釋放到約5 0 r i m 寬的突觸裂隙中，被突觸 后細(xì)胞體( 或樹(shù)突) 膜表面的感受體截獲后，會(huì)改變膜的離子通道的通透性， 從而引起膜電位的變化，即產(chǎn)生突觸后電位( p s p ) 突觸后電位的時(shí)空跨距 明顯大于動(dòng)作電位，其峰值約為1 0 m y ，持續(xù)時(shí)間大約1 0 m s 。信號(hào)經(jīng)過(guò)突觸后可 能發(fā)生交化，主要表現(xiàn)在當(dāng)沖動(dòng)到達(dá)突觸小體時(shí)，突觸前成分對(duì)突觸后成分會(huì) 發(fā)生特殊的生理性影響，這種影響可以是興奮的，也可以是抑制的。當(dāng)突觸后 成分受興奮影響使膜去極化時(shí)，就可能發(fā)生神經(jīng)沖動(dòng)的傳遞，這種去極化性突 觸后電位稱為興奮性突觸后電位( e p s p ) 。否則是抑制細(xì)胞興奮的超極化抑制 性突觸后電位( i p s p ) 。一條神經(jīng)纖維產(chǎn)生的e p s p 很t j , ，不足以使神經(jīng)元興 奮。然而，許多神經(jīng)纖維電位的綜合便可產(chǎn)生一次沖動(dòng)。復(fù)雜而微妙的中樞神 經(jīng)機(jī)能就是由許多神經(jīng)元的促迸性與壓抑性效應(yīng)組成的。人腦中的信息處理和 行為的響應(yīng)就取決于興奮信號(hào)在神經(jīng)中的傳播路徑。 1 3 腦電闖題中的基本電磁學(xué)理論及物理模型 1 3 1 開(kāi)放電場(chǎng)與封閉電場(chǎng) 大腦皮層的神經(jīng)細(xì)胞按其形狀可分為粒形細(xì)胞、梭形細(xì)胞和錐體細(xì)胞三 種。前兩種細(xì)胞的胞體很小，位于腦深部，細(xì)胞外形成的樹(shù)突走向混亂，都不 能形成有效的電場(chǎng)，占腦電波的比例甚小。而錐體細(xì)胞則與前兩種細(xì)胞不同， 它的細(xì)胞體呈三角形狀，細(xì)胞基底朝下，其項(xiàng)樹(shù)突垂直伸至皮層表面，走向相 同，它們的電活動(dòng)若同時(shí)發(fā)生，才可能在一定區(qū)域內(nèi)綜合起來(lái)，而被表皮電極 記錄下來(lái)( 俞仁康，壽文德，l 婀j o ) 。 實(shí)驗(yàn)證明：皮層表面的緩慢電活動(dòng)，來(lái)源于錐體 細(xì)胞的胞體和頂樹(shù)突所產(chǎn)生的興奮性或抑制性突觸 后電位。 在頭皮上記錄的電位變化或磁場(chǎng)變化，是大量 腦神經(jīng)元突觸后電位變化在頭皮上的綜合反映。而 對(duì)頭皮電位貢獻(xiàn)最大的是離頭皮最近的皮層細(xì)胞 o p e nf i e l d t i t 粼 ：艄鬈 c o l e df ；e l d 酗2 開(kāi)放電場(chǎng)和封閉電場(chǎng)圖示 ( 人類大腦皮質(zhì)的面積約為1 1 0 0 厘米2 ，其中1 3 露在大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的表 游彰 o 飛。一 0 面，2 3 則位于溝裂的側(cè)壁和底部，整個(gè)大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的總數(shù)約有1 3 6 5 億 ( m a r ke b e a r e ta t , 2 0 0 2 ) ) ，因而研究在有限大小區(qū)域內(nèi)的皮層細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)有大量 胞體成錐狀的神經(jīng)元細(xì)胞，當(dāng)它們同方向排列時(shí)，如圖2 所示。這種結(jié)構(gòu)稱為 開(kāi)式結(jié)構(gòu)，其在外面產(chǎn)生的場(chǎng)稱為開(kāi)放電場(chǎng)。我們記錄到的腦電信號(hào)主要是開(kāi) 場(chǎng)，可見(jiàn)腦電是由于皮質(zhì)大量神經(jīng)組織的突觸后電位同步組合而成，麗單個(gè)神 經(jīng)元電活動(dòng)十分微小，不能在頭皮上記錄到，只有神經(jīng)元群的同步放電才能記 錄到。當(dāng)神經(jīng)元細(xì)胞交叉穿插時(shí)，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的場(chǎng)稱為封閉電場(chǎng)，如圖2 所 示，此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電位變化相互抵消，因而在頭皮上探測(cè)不到( 吳殿鴻 等，1 9 9 5 ) 。 1 3 2 電流偶極子模型和容積導(dǎo)體電場(chǎng) 在1 9 4 9 年，b r a z i e r 就提出了用電流偶極子來(lái)描述腦內(nèi)電磁產(chǎn)生器的想法 ( b r a z i e rm a b ，1 9 4 9 ) 人腦的神經(jīng)活動(dòng)是產(chǎn)生電流偶極子的電源。電生理學(xué)研究 表明，當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞在靜態(tài)時(shí)，其細(xì)胞膜處于極化狀態(tài)，細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)分別均 勻地分布著正、負(fù)電荷一膜內(nèi)為負(fù)電荷，膜外為正電荷。由于正、負(fù)電荷的 。重心”是重合的，因此對(duì)外不顯電性，即呈現(xiàn)電中性，類似無(wú)極分子，如圖 3 ( a ) 所示。對(duì)于整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，此時(shí)不會(huì)形成電偶。當(dāng)細(xì)胞受一定刺激后， 膜的相應(yīng)部位處于極化狀態(tài)，使細(xì)胞膜內(nèi)外的電荷分布不再均勻，如圖3 ( b ) 所示，有了一定距離，形成了電偶。對(duì)外表現(xiàn)出電性，從而產(chǎn)生電場(chǎng)( 俞仁康，壽 文德，1 9 9 0 ) 。 蟄j 固 ()o畸 圖3 神經(jīng)細(xì)胞的激化和電偶的形成 由于人的頭顱有一定的導(dǎo)電性，因此，不存在穩(wěn)定的電荷偶極子，所假設(shè) 的都為電流偶極子。在神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)過(guò)程中，在兩個(gè)神經(jīng)元之問(wèn)的突觸形成 負(fù)離子占優(yōu)勢(shì)，從而在下一個(gè)神經(jīng)元的頂樹(shù)突處形成一個(gè)細(xì)胞外負(fù)電位，同時(shí) 1 3 在此神經(jīng)元的其它部分( 胞體和基底樹(shù)突) 形成一個(gè)正電位，這樣就構(gòu)成了一 個(gè)微小的電流偶極子。如圖4 所示。電流偶極子的偶極矩就是流過(guò)此電源內(nèi)部 的電流與此電源由負(fù)到正極距離的乘積，方向與電流流過(guò)的方向一致一個(gè)電流 偶極子用來(lái)表征處于興奮或抑制狀態(tài)的錐體細(xì)胞，在大腦皮層一個(gè)小區(qū)域內(nèi)( 通 常為1 2 c m 2 ) 錐體細(xì)胞群，同時(shí)興奮或抑制，也就是它們同時(shí)同方向放電，從而 形成了一個(gè)平面偶極層，因此也可用一個(gè)由較大偶極矩的偶極子來(lái)等效。但若錐 體細(xì)胞群很多，在皮層內(nèi)所占面積也較大( ) 2 c m 2 ) ，并且已不是一個(gè)平面，這時(shí)就 需要用2 個(gè)或多個(gè)偶極子來(lái)等效，如圖5 所示( 胡潔等，2 0 0 3 ) 。 圖4 神經(jīng)元 圖5 偶極子模型 從機(jī)理上講，可將突觸傳遞時(shí)的突觸后電位在整體上視為電流偶極子，動(dòng) 作電位視為電流四極子，即：同一位置處大小相等方向相反的兩個(gè)電流偶極予。 因?yàn)榕紭O子場(chǎng)強(qiáng)與源的距離為平方反比關(guān)系。而四極子的場(chǎng)為立方反比關(guān)系， 所以，四極子產(chǎn)生的場(chǎng)隨離源距離的增大有更快的衰減速度。在醫(yī)學(xué)研究過(guò)程 當(dāng)中，通常把偶極子看作是一個(gè)恒流源。 容積導(dǎo)體電場(chǎng)的形成主要包括兩部分( 俞仁康，壽文德，1 9 9 0 ) ：生物電信號(hào)源 和生物電信號(hào)源所浸浴的周圍介質(zhì)。生物電信號(hào)源就是上述受刺激而處于興奮 狀態(tài)的細(xì)胞，簡(jiǎn)化為電偶。由于電偶的存在，就在其浸浴介質(zhì)中，也就是在其 容積導(dǎo)體中建立起電場(chǎng)，在其空間的不同點(diǎn)上產(chǎn)生不同的電位。對(duì)于巨大容積 的導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，若浸浴介質(zhì)的電阻率p 增大，則電場(chǎng)中各點(diǎn)的電位亦增大，這是 因?yàn)樯镫娦盘?hào)源近于恒流源，所以當(dāng)介質(zhì)電阻變大時(shí)，在頭皮上產(chǎn)生的電位 就相應(yīng)增大了。 1 4 1 4 腦磁場(chǎng) 人體的生物磁場(chǎng)的來(lái)源主要有三種：1 ) 生物電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)；2 ) 由生物磁 性材料產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)；3 ) 侵入人體內(nèi)的強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)( 丘冠英， 彭銀詳，2 0 0 0 ) 。其中第一種就是產(chǎn)生腦磁的源。細(xì)胞膜內(nèi)外的離子移動(dòng)引起了腦 內(nèi)的電活動(dòng)，從而產(chǎn)生了生物電流，由此產(chǎn)生了磁場(chǎng)。記錄下這種磁場(chǎng)變化可獲 得腦磁圖。一組緊密排列的腦神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生的生物電流可看作為一個(gè)信號(hào) 源。由這一電流源產(chǎn)生的生物磁場(chǎng)可穿透腦組織以及顱骨到達(dá)頭部之外，可用 一組探測(cè)器陣列來(lái)測(cè)量分布在頭皮表面上的這種磁場(chǎng)以確定腦內(nèi)信號(hào)源的精確 位置和強(qiáng)度。在腦磁場(chǎng)的分析中，使用電流偶極子和電流矩來(lái)表達(dá)這些細(xì)胞活 動(dòng)。 通常，m e g 信號(hào)源的電流偶極子的偶極矩在1 0 h a m 的量級(jí)，故對(duì)一個(gè)誘發(fā) 刺激，大約有1 0 6 個(gè)突觸處會(huì)產(chǎn)生同步的響應(yīng)。在皮層中約有1 0 5 個(gè)錐體細(xì)胞 m n l 2 ，而每個(gè)細(xì)胞又有大約數(shù)千個(gè)突觸，因此當(dāng)在每咖2 的皮層中有千分之一 左右的突觸發(fā)生同步響應(yīng)，就產(chǎn)生了可探測(cè)到的m e g 信號(hào)。不過(guò)實(shí)際中，在 皮層的相鄰區(qū)域也可能存在方向相反的電流，使產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)部分抵消，于是 實(shí)際同步響應(yīng)活動(dòng)的皮層區(qū)域要大一些，實(shí)際測(cè)量的電流密度約為 1 0 0 - 2 5 0 h a r a m 2 ( f r e e m a n ，1 9 7 5 ；k r a u te ta 1 ，1 9 8 4 ) 。 對(duì)于腦磁研究來(lái)說(shuō)，并不是所有的神經(jīng)細(xì)胞都會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電磁場(chǎng)。在 中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，因?yàn)殡娏髋紭O子產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì)隨著距離的平方而減低，只有在 皮層上的電流才能有貢獻(xiàn)。進(jìn)而，不是所有的皮層細(xì)胞都會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的磁 場(chǎng)。例如，星狀細(xì)胞產(chǎn)生閉合場(chǎng)，他們的突觸有一個(gè)均勻的密度因?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞 的接受突觸連接的樹(shù)突在所有的方向都有分支。解剖上只有錐體細(xì)胞才產(chǎn)生磁 場(chǎng)，因?yàn)樗鼈冇信紭O子的配置，這些細(xì)胞，大多在皮層的6 層中的第三層( 對(duì) 于視覺(jué)皮層) 或在第5 層( 運(yùn)動(dòng)皮層的巨錐體細(xì)胞( b e t zc e l l s ) ) 主要依賴于局 部的信息在不同的皮層層中，組成了7 0 左右的新皮層神經(jīng)細(xì)胞。它們產(chǎn)生信 息關(guān)于內(nèi)部垂直活動(dòng)在一個(gè)給定的皮層區(qū)域中的皮層表面。考慮一群這樣的細(xì) 胞的平均行為可以被模型成一個(gè)電流偶極子產(chǎn)生徑向的磁場(chǎng)和切向的電場(chǎng)，因 此腦電主要是測(cè)量平行于顱骨的神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，而腦磁主要是測(cè)量垂直于顱 骨的這些細(xì)胞的活動(dòng)，參見(jiàn)圖6 。由此也可以知道，腦電腦磁是互補(bǔ)的測(cè)量皮 層區(qū)域的錐體細(xì)胞的突觸后電位變化產(chǎn)生的皮層電活動(dòng)。而對(duì)于腦磁研究來(lái) 說(shuō)，在球頭導(dǎo)體模型下，徑向偶極子( r a d i a ld i p o l e ) 對(duì)頭外磁場(chǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，而 只關(guān)心切向偶極子( t a n g e n t i a ld i p o l e ) ，可參見(jiàn)圖7 。 圖6 腦磁場(chǎng)產(chǎn)生原理示意圖 圖7 球頭模型下徑向和切向示意圖 1 5 腦電圖與腦磁圖 1 9 2 9 年德國(guó)精神病學(xué)家b e r g e r 乖j 用靈敏的電流計(jì)在人的頭皮上首次記錄到 腦電圖，后稱為e e g ?，F(xiàn)己知，e e g 是腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)數(shù)量的錐體細(xì)胞的突觸 后電位在頭皮上的反映，而不是源于時(shí)程較短的動(dòng)作電位。在頭皮上之所以能 記錄到0 5 4 0 h z 的較大幅度( 1 1 0 0 9 v ) 的e e g ，主要得益于大腦皮層有序的 多層結(jié)構(gòu)，錐體細(xì)胞的軸突徑向排列，而樹(shù)突在最外層呈切向分布，因而形成 了有序的電偶極子，只要幾十萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化足以克服顱骨屏 蔽，在頭皮上就能較容易地記錄到。 e e g 通過(guò)放置在顱骨內(nèi)外的電極測(cè)得，記錄的信號(hào)反映了電極之間的電位 差，電位差是由通過(guò)某些組織的離子電流產(chǎn)生，這些組織周圍環(huán)繞著大腦內(nèi)部 帶電的活動(dòng)細(xì)胞。生物電信號(hào)由兩個(gè)電極之間的電位差測(cè)得。通常有兩種記錄 技術(shù)：參考電極( 或單電極技術(shù)) 和雙電極技術(shù)。臨床應(yīng)用的腦電圖記錄儀根 據(jù)腦電極的多少有8 道、1 6 道、3 2 道、6 4 道或1 2 8 道等之分。腦電圖的多道記錄 是為了觀察腦電位分布的對(duì)稱情況和瞬時(shí)變化( g u l r a j a n i ，r a m e s hm ，1 9 9 8 ) 。 腦磁圖m e g 和e e g 一樣是能以毫秒以下分辨率來(lái)實(shí)時(shí)記錄腦活動(dòng)的方法。 m e g 記錄的是由突觸后電位所產(chǎn)生的頭顱表面磁場(chǎng)。m e g 具有優(yōu)越的時(shí)間分辨 率和良好的空問(wèn)分辨率。因腦磁場(chǎng)信號(hào)很弱，約為1 0 - 9 高斯( 相當(dāng)于地磁場(chǎng)的 億分之一) ，因此只有在超導(dǎo)量子干擾技術(shù)發(fā)展起來(lái)之后，才能記錄至i j m e g ， 1 6 目前已有成熟的產(chǎn)品，只是價(jià)格不菲。 腦電圖( e e g ) 和腦磁圖( m e g ) 測(cè)量的是由不同的腦電活動(dòng)產(chǎn)生的電磁 場(chǎng)，有優(yōu)越的時(shí)間分辨能力，它們測(cè)量腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)， 通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析，判斷神經(jīng)活動(dòng)是否正常，也可以提供活動(dòng)神經(jīng)元的位置及 活動(dòng)強(qiáng)度等信息。相對(duì)而言，腦電圖和腦磁圖是一種更加“直接”的測(cè)量方 式，我們并不需要借助向人腦內(nèi)加入任何的“中介”，因此，無(wú)論是過(guò)去，現(xiàn) 在還是將來(lái)，無(wú)論是采用任何的標(biāo)準(zhǔn)，它們都將是真正的徹底的“無(wú)損”的方 法。 在一些方面它們有相似性和不同性： m e g 與e e g 信號(hào)源是一致的，同為腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的電流分布，兩者從 不同的角度提供相似的及互補(bǔ)的信息。 m e g 主要依賴于直接對(duì)應(yīng)神經(jīng)活動(dòng)的原在電流，而e e g 既依賴于原在電流 也依賴于體積電流。也就是說(shuō)，e e g 對(duì)體積電流的依賴程度高于m e g 。從而 e e g 比m e g 更易受腦組織電導(dǎo)率的影響。換言之，要對(duì)e e g 做計(jì)算，必須對(duì)腦 組織的結(jié)構(gòu)及電導(dǎo)率有詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。而對(duì)m e g 計(jì)算時(shí)，對(duì)這種要求不高。例 如，采用頭的多層同心球模型時(shí)，m e g 與各層不同電導(dǎo)率的具體數(shù)值完全無(wú) 關(guān)，而計(jì)算e e g 時(shí)，必須基于這些電導(dǎo)率的數(shù)值。這一點(diǎn)決定了在實(shí)際對(duì)源定 位時(shí)，通常m e g 定位精度高于e e g 。比如使用e e g 的源定位誤差在1 0 毫米左 右，而m e g 的定位誤差為2 4 毫米左右( h a m a l a i c n ，e ta l ，1 9 9 3 ) 。反映在檢測(cè)信號(hào) 的靈敏度方面，以對(duì)腦外傷后遺癥的檢驗(yàn)為例，m e g 的檢出率就高于e e g 的。 m e g 對(duì)頭內(nèi)切向分布的源敏感，恰好在大腦皮層總面積中，占有大部分份 額的溝( 7 0 以上) 上分布的源，其指向即為切向，適合用m e g 檢測(cè)。 當(dāng)源向腦中心靠近時(shí)，m e g i ：b e e g 衰減得快，因而m e g 在檢測(cè)腦深部的神 經(jīng)活動(dòng)時(shí)不如e e g 。 在兩者具體測(cè)量時(shí)，m e g 要求受測(cè)者在測(cè)試過(guò)程中保持靜止不動(dòng)，測(cè)試時(shí) 問(wèn)不宜過(guò)長(zhǎng)。測(cè)量e e g 時(shí)由于頭上固定電極，因而允許較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。m e g 為無(wú)接觸測(cè)量，e e g 要注意接觸電阻的問(wèn)題。 在測(cè)量?jī)x器方面，m e