第一节　脑电信号记录技术

宏电极记录

相对于研究神经元电活动的微电极（microelectrode）而言，临床应用的头皮或颅内EEG记录电极称为宏电极（macroelectrode）。通过适宜的电极，反映从头皮或颅内记录到的局部一定空间范围内神经细胞电活动总和的时空变化。目前对于脑电活动有不同的记录方式。头皮EEG的每个电极反映的是较大空间范围内脑电活动的不同矢量电场加权总和。尽管由于头皮和颅骨等组织的生物滤波作用，头皮EEG记录到的脑电活动频带较窄，但头皮EEG具有无创性，可重复性，并具有一定的空间分辨率（大约6cm2）和极高的时间分辨率（数十毫秒级），能够满足绝大部分的临床需要，特别是能够反映总体大脑的电活动。人们在长期的临床工作中已经识别了头皮EEG的生理模式和不同的病理模式，因此在脑功能障碍疾病中应用最为广泛。颅内电极记录，包括硬膜下栅状电极和深部电极，可在不同范围对局部脑电活动进行更清晰有效的宽频带记录，并免除了绝大部分伪差的干扰，但其属于有创性检查，主要用于癫痫外科的术前精确定位（图2-1）。

微电极记录

微电极（microelectrode）技术的发展和应用一直是神经电生理研究的关键。每个神经细胞可以有成千上万个突触与其他神经细胞形成连接，组成极其复杂的神经网络，大脑对于外界事件的响应以及信息处理的每一个过程，都需要涉及许多神经细胞的共同作用。获取个体神经细胞工作过程中的电信号变化，有利于揭示大脑完成信息处理的复杂机制。

图2-1　不同EEG记录方式及皮质神经元不同水平的电活动

A.不同EEG记录方式示意图，包括头皮EEG、皮质电图（ECoG）和立体定向EEG（SEEG）；B.不同水平脑电活动的时间分辨率和空间分辨率，包括动作电位（action potentials，AP）、层部场电位（LFP）、皮质脑电图（ECoG）和头皮EEG

图2-2　应用微电极记录细胞外动作电位的检出和分析流程

微电极主要用于基础研究而非临床诊断。其直径仅有几十微米，同时具有较高的输入阻抗，有利于记录动作电位。利用微电极进行细胞内记录可以检测到包括阈下膜电位变化和阈上动作电位的详细信息，但是在细胞内记录的操作很困难。细胞外记录方法虽然不能反映阈下膜电位变化，但是可以正确反映阈上动作电位的时程和幅值变化，还能体现锥体细胞和中间神经元等不同细胞产生的动作电位的波形特征，重要的是细胞外记录技术可以同时检测到大量细胞的动作电位。近年来，采用先进的微电子集成电路制造技术，以半导体硅为材料的多记录点微电极阵列技术迅速发展，这种电极具有体积小、记录点多、结构形式多样化、性能稳定可靠等特点，已经用于在体记录，例如美国犹他大学开发的针形微电极阵列，被称为Utah电极。还有一类是线性微电极阵列。微电极置入大脑组织后，可以在二维，甚至三维脑区中同时检测多达上百个记录点的场电位和神经细胞的单位电位。大脑中各种神经细胞和细胞间液形成了一个容积导体，单个细胞动作电位引起的跨膜电位的变化在这个容积导体中传播，随着距离的增加而电位衰减。理论分析表明，一个电极测量点可以记录到其周围大约50μm区域内的60～100个神经元的单位电位，但在实际实验记录中，由于电极对细胞的损伤以及检测仪器噪声等因素的影响，每个测量点通常只能满意记录到数个神经细胞的单位电位。集成微电极阵列有高密度分布的多个测量点，可以同时检测到多达上百个神经细胞的电活动。置入大脑组织后，使用宽频带放大器（0.1～40 000Hz），可以同时检测到细胞外场电位和邻近电极区域的单细胞单位电位。由于场电位是细胞群体突触电位和动作电位的整合，频率较低，幅值较大，为毫伏级水平，单位电位的持续时间只有1～2ms，频率较高，幅值只有数十至数百微伏，通常被淹没在场电位信号中，而用模拟或数字滤波器进行高通滤波，截止频率取500～3000Hz，除去低频场电位信号，可以提取单位电位。这种微电极阵列不仅在神经电生理学实验研究中获得了成功的应用，近几年还被成功地用于临床残疾病人的康复治疗，成为实现思维控制机器的脑机接口的主要手段之一。另外，高密度微电极阵列记录技术的应用，还将揭示神经细胞之间相互连接形成神经网络的信息，极大地推动神经编码、神经网络信号处理和信息存储机制的研究，以及智能计算机系统的开发。图2-2是微电极细胞外动作电位的记录和处理流程。