1、脑的群电活动(Ensemble Electric Activity)与睡眠觉醒节律 罗非 教授 北京大学根底医学院神经生物学系 :82801010;Email:fluobjmu.edu Website:/nri.bjmu.edu/ANnet Before we start 动作电位是脑内唯一可以快速远距离传递的信号 神经元相互结合成电网络，同时也可按某种节律同步放电 群电活动可以通过外表或深部电极加以记录 Brain is Electric 脑内的电信号有 膜电位 动作电位 突触后电位 And a lot more 脑使用电信号的优势 电信号的时间精度(temporal accuracy)远超
2、化学信号 有可能进行多点(multi-site)的实时(real-time)记录 有可能进行无创(non-invasive)检测 适合进行高级分析 Before we start 我们一生中1/3的时间将在睡眠中度过 吃饭和娱乐也会占据另外的1/3时间 在剩余1/3的生命中 童年和各种教育占据1/3 老年时期占据另外1/3 因此，只有大约1/9的生命，大约缺乏10年时间，可以用于有效的工作 Before we start 睡眠的大局部时间都被浅睡或梦境占据 通常在整个夜晚，只有缺乏30分钟是真正的深睡眠 事实上，我们在所谓清醒的日间也很少有真正清醒、没有做白日梦或注意力分散的时候 因此:我们有
3、必要了解下述两类过程 睡眠和觉醒 梦与非梦 What we will learn 脑电图 脑的状态：睡眠与觉醒 脑电图(Electroencephalogram,EEG)EEG简介 EEG的记录 EEG的计算机辅助分析 EEG在根底和临床医学中的应用 事件相关电位 EEG简介 EEG的定义 通过放置在头皮外表的多个电极所记录到的一组场电位 EEG的历史 Richard Caton,利物浦内科医生利物浦内科医生 将电极直接放在暴露的动物脑外表，发现将电极直接放在暴露的动物脑外表，发现存在电信号，发表于存在电信号，发表于1875年年 1887年年,Caton通过干扰落在动物眼中的光通过干扰落在动物
4、眼中的光线，检测到脑电的负向波动线，检测到脑电的负向波动 History of EEG Dr.Hans Berger,奥地利精神病学家奥地利精神病学家 首次记录人体脑电首次记录人体脑电 十八世纪十八世纪20年代早期，利用移动感光纸和年代早期，利用移动感光纸和闪动光点记录脑电，发现每秒闪动光点记录脑电，发现每秒10次的常规次的常规波动波动 由于这是他第一个从人类由于这是他第一个从人类EEG中别离出来中别离出来的波，他将此波动命名为的波，他将此波动命名为波波 1929年，年，Berger发表了该结果，这是有关发表了该结果，这是有关人类脑电的第一篇论文人类脑电的第一篇论文 History of EE
5、G Dr.Hans Berger的谨慎精神 Berger在自己和其它许多人身上反复记录 通过同步记录心电和头部血压变化，排除了由血循环造成波动假相的可能性 将电极放在皮肤以下记录，排除了波动来自皮肤的可能性 History of EEG Dr.Hans Berger 十八世纪十八世纪30年代，首先命名了年代，首先命名了波和波和波波 第一个采用第一个采用EEG作为脑电图的缩写名称作为脑电图的缩写名称 提出提出波幅度小于波幅度小于波波 指出指出波与集中注意力和惊跳反响有关波与集中注意力和惊跳反响有关 History of EEG Dr.Hans Berger 1931年，发现波在睡眠、全身麻醉、使
6、用可卡因等情况下消失 发现脑损伤造成颅内高压的患者波幅度减低 发现癫痫患者的高幅脑电波 发现Alzheimers病和多发性硬化患者存在EEG改变 History of EEG Dr.Hans Berger Carl Zeiss基金会注意到Berger的一系列发现 赠送给他电子放大器和特质的示波器，并为他配备了助手 History of EEG Dr.Hans Berger 发现癫痫病人在发作后脑波几乎变平；波随着意识的恢复而恢复 脑波在出生两月后采出现，与脑内神经元髓鞘化的过程一致 Dr.Hans Berger EEG的本质 未知局部 动作电位、兴奋性突触后电位、抑制性突触后电位等电位活动的总
7、和(Eccles,张香桐,Jung 等)局部 大群神经元的同步放电 EEG的本质 EEG的记录 电极的放置 国际标准10 20 系统(Jasper,1958)Gibbs系统(Illinois system)EEG的记录 参考电极 单极与双极记录 遥控EEG记录 24小时跟踪 EEG的参数：频率 定义：单位时间(秒)内波的个数 单位:赫兹(Herz,Hz)EEG频率的分类 波:7.5-13 Hz 波:14-30 Hz 波:3.5-7.5 Hz 波:0.4-3 Hz 种类 频率(Hz)波幅(uV)主导时期 Alpha 7.5-13 20-60 清醒、放松 Beta 14-30 2-20 思维活动
8、Theta 3.5-7.5 20-100 儿童的支配频率，在成人随困倦和注意而增加 Delta 0.4-3 20-200 深睡，婴儿支配频率 频率与波幅 脑波的起源 两种可能的振荡控制 中心指挥型 凑呜曲型 脑波的起源 简单的细胞环路即可产生振荡 脑波的起源 甚至单个细胞在外来刺激下也会产生振荡 脑波的起源 目前认为，神经细胞的内在特性(intrinsic properties)及其相互间的突触连接决定了神经网络的振荡特性 EEG的参数：波幅 EEG的参数：波形 正常波形 EEG的参数：波形 正常变异 EEG的参数：波形 病理波形 EEG的参数：波形 人工假相:技术问题或外部干扰所致，一般较为
9、短暂 可能因电极移动、接触不良、肌肉或头部运动、出汗等造成 EEG解释的困难 每个通道的皮层电位是脑内大量神经元活动组合的反映 源的奉献随着其与电极距离的缩短而非线性地增大 在向头皮传递过程中受脑膜、头骨和皮肤影响可能会衰减或扭曲 计算机辅助下的EEG分析 在计算机协助下，可以 生成脑电地形图 声称三维重构影像 进行功率谱分析 以及其它许多分析 绘制意识之图 数字化的EEG 模/数转换(A/D converter)采样间隔(sampling time interval):0.005-0.01 s 实时(real time)记录 定量EEG:可用于显示、滤波、频率及波幅分析、以及彩色地形图 EE
10、G脑地形图 功率谱分析 EEG与根底医学研究 EEG与根底研究 EEG与运动功能 成人:no无肯定的关系 儿童:脑电高频者 fast reaction time反响时间较短 EEG与情绪 正性情绪时左侧额叶EEG活动增加 负性情绪时右侧额叶EEG活动增加 EEG与根底研究 EEG与IQ 没有肯定的关系 EEG与感觉 听阈在波较强时比其它时候更低(听觉更敏锐)刺激复杂性增加时波抑制增加 EEG与根底研究 EEG与感觉 听觉区分任务难度增加时波抑制增加 EEG与注意 当任务不要求注意环境时,(例如心算)比要求注意环境时顶叶波增加 EEG的临床应用 癫痫 由于神经元混沌式活动导致的惊厥 睡眠障碍 脑
11、肿瘤 诱发电位(Evoked Potential)与事件相关电位(Event-Related Potential)Definition 指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反响。EP/ERP的特性 空间特性:只能在特定的空间范围内检测到 时间特性:具有特定的波形和强度分布 相位特性:刺激和反响之间存在锁时(time-locked)关系 EP/ERP的起源 大局部源于大脑皮层,因为皮层神经元有特殊的层状排列 局部可能反映了脑干神经元
12、的活动 EP/ERP均反映了脑内神经元群体的活动 EP/ERP的采集：平均策略 平均技术的原理 由于刺激与EP之间存在锁时关系 而背景噪音与刺激之间的关系是随机的 屡次叠加可以消除噪音影响，增大信噪比 再除以叠加次数就可以使EP保持原大小而大大削弱噪音 EP/ERP的种类 外源性刺激相关的诱发电位(EP)感觉(visual or VEP,auditory or AEP,somatosensory or SEP)运动(电或磁刺激诱发)内源性事件相关诱发电位(ERP)记忆和思维相关电位:P300 语言相关电位:N400 准备或预期相关:CNV 短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)几乎不受意识状态影响
13、 外周及中枢通路都很清楚 成分之间的关系及其传导途径也较清楚 在临床各科室有广泛的应用 短潜伏期体感诱发电位(SLSEP)脑干听觉诱发电位(BAEP)主要用于耳科学 用于各种听觉检测中 用于了解听神经及脑干通路活动 用于诊断影响这些通路的功能性或结构性疾病 脑干听觉诱发电位(BAEP)运动诱发电位(MEP)在运动区及其传出通路上施加电或磁刺激 在下游通路上记录诱发电位 可利用经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation,TMS)应用：客观、定量地反映中枢运动功能 运动诱发电位(MEP)ERP与EP的区别 ERP研究中要求被试的主动参与 用于ERP研究的刺激不能
14、单调 至少需要两种模式、序列或种类的刺激 ERP的外源性成分与刺激的物理性质相关,而内源性成分(如P300,N400等)那么与认知活动相关 P300简介 最经典、最早发现且研究最广泛的ERP 波形在顶叶中线附近最明显 主要反映脑对外部信息的认知过程 P300:应用 P300与反响时：无必然联系 P300与智能：操作智能越低，P300的潜伏期越长，幅度越低 P300与测谎：从植物神经生理到神经电生理变化 P300与临床：主要用于各种原因而致的认知障碍的病人，可以为智能障碍及其程度提供神经电生理的依据；神经精神药物的药效学和药理学指标 ERP的定量化与参数提取 波幅(Amplitude)潜伏期(L
15、atency)波峰间期(Inter-Peak Latency)波幅比值和峰间期比值(Ratio)波面积(Area under Curve)ERP的临床解释 首先建立正常值数据库 理解各种参数的生理学和病理生理学意义 潜伏期:反映传导功能 幅度:参与放电的神经元 成分缺失:严重损伤的存在 进一步还需研究EP活动的来源 ERP的多通道记录 ERP长于说明事件在脑内发生的时刻，却无法有效地说明他们发生的位置 Nose Left Right Occipital ERP的脑地形图 P300在头皮外表电场分布的2D地形图 利用内插值法可以计算出头皮上任何一点在任何时刻的电位 ERP的生物电模型 研究的真正
16、目的是了解脑内,而不是头皮上发生了什么 脑内每一个电活动均可在头皮外表投影成某种地形图 逆问题：源分析建模 逆问题的进展 使用高密度(例如128导联)ERP记录已降低测量误差 使用磁力数字化装置定位ERP记录电极在头皮上的位置 获得被试头部的磁共振影像 影像分割 根据MRI图像灰度值将影像分割成不同的组织类型(皮肤、骨骼、灰质、白质、脑脊液)Top N 3D头部建模 根据这些组织类型生成具有解剖精度的三维头部模型 根据组织类型给每个象素赋予电学特性数值 将ERP和MRI的数据空间融合 P300在头皮上的生物电模型 P300在皮层外表的模型 偶极子源模型 采用真实的头模型计算逆问题的解 Summary EP/ERP可以反映视网膜、视觉通路、内耳、听神经、脑干、外周神经、脊髓后索、感觉皮质以及上下运动神经元的各种病变，事件相关诱发电位那么用以判断患者的注意力和反响能力。诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可进行客观评诂，对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检测，故当前广泛应用于对神经系统病变的早期诊断，病情随访，疗效判断，予后估计，神经系统发育情况的评估以及协助判断昏迷性质和脑死
