脑电波简介

脑电波简介 EEG,腦波, 一、 腦電波簡介 腦神經細胞的活動,可用神經電生理的方法偵測而得到腦波。早在1875年,英國利物浦的生理學教授李察卡通首度從兔子的大腦皮質表面紀錄到記錄到一種電波,此電波與呼吸或心跳無關,是一種腦部的生理變化,隨著動物受麻醉或缺氧而破壞,且動物在死亡後消失。後來他又發現刺激動物的身體能使腦波發生變化,他利用這種變化來研究身體之部位與大腦皮質區的關係,並探討大腦皮質區的功能,成為後來神經診斷學中誘發電位,evoked potential,發展的基礎。 一直到1929年,從李查克通發現腦波以後經過了50多年,一位德國精神柯醫師漢斯伯格,Hans Berger,,經過多年潛心研究,在人類完整的頭蓋骨上紀錄到相同的電氣活動,這是首次發表人類的腦波記錄,並命名為腦電波圖(electroencephalogram)簡稱EEG,此後腦波即開始被應用在醫學的領域。從字義上來看electro,electrical,電的,encephalo,brain,大腦的,gram(ma),picture,圖像。所指的就是記錄大腦活動時的電波變化。EEG在臨床上的應用其實已經非常廣泛,它據有經濟、安全、方便的特性。可以用於篩檢病患,以及昏迷、中風、癲癇、腦炎、和其他腦疾病病人的追蹤檢查。 目前量測腦波記錄可分為兩種,一是腦電波,electroencephalogram, EEG,,測量大腦皮質的電流,大腦皮質的電流是發生在細胞外的電流,是由細胞群與其他細胞群之間的電位差形成的。另一是腦磁波,magnetoencephalographic, 1 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 MEG,,此乃根據法拉第定律?電生磁,當腦神經活化時所產生的電訊號會引發磁場變化,所偵測到訊號的大小即為腦磁波。 由於電子工學的進步,腦波的周波數也得以用儀器測定。國際腦波學會就針對不同震動的周波數,定以α、β、δ、θ之名。 α為優勢腦波時,人的意識清醒,但身體卻是放鬆 的,它提供意識與潛意識的橋樑。由於在這種狀 8-14赫茲(_1態下,身心能量耗費最少,相對地腦部所獲得的 α波 秒內振動8-14能量較高,運作就會更加快速、順暢、靈感及直 次) 覺敏銳,腦的活動活潑。現代科學積極倡導α波 是為人們學習與思考的最佳腦波狀態,道理就在 於此。 在β波為優勢腦波時,人清醒時大部份的腦波狀 態。隨著β波的增加,身體逐漸呈緊張狀態,準 備隨時因應外在環境作反應。大腦能量除了維持 本身系統的運作外,尚須指揮對外防禦系統作準 β波 14赫茲以上 備,因而消減了體內免疫系統能力,在此狀態下 人的身心能量耗費較劇,快速疲倦,若沒有充份 休息,非常容易堆積壓力,這是現代人的通病,。 然而,適量的β波,對積極的注意力提升,以及 認知行為的發展有著關鍵性的助益。 θ 波為優勢腦波時,人的意識中斷,身體深沉放 鬆,這是一種高層次的精神狀態,也就是我們常 聽到的「入定態」。在這樣的狀態下,由於意識 中斷使得我們平常清醒時所具有批判性或道德性 θ波 4-8赫茲 的過濾機制被埋藏起來,因而大開心靈之門,對 於外界的訊息呈現高度的受暗示性狀態 ,Hyper-suggestibility,,這就是為什麼人在被催 眠時會容易接收外來的指令。此外,θ波與腦部邊 緣系統有非常直接的關係,對於觸發深層記憶、 2 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 強化長期記憶,LTP,等幫助極大,所以,在科學 界稱Theta波為「通往記憶與學習的閘門」?The Gateway to Learning and Memory。 δ波為優勢腦波時,為深度熟睡,無意識狀態。人 的睡眠品質好壞與δ波有非常直接的關聯,δ睡眠 是一種無夢且很深沉的睡眠狀態,通常一夜正常 的睡眠周期會出現四至五次,而發生在睡眠初期 第一個出現周期是無夢的δ波,Non-REM,狀態, δ波 0.4-4赫茲 所以,如果在輾轉難眠時,能讓自己召喚出近似δ 波邊緣狀態的身心感覺,當然要經過訓練,,您 就可以很快地擺脫失眠並進入深沉睡眠,真正睡 美容覺追求的就是這種時間短但深入的睡眠。此 外,根據科學研究,δ波亦是開發人類直覺雷達系 統,以及超能神密力量的關鍵。 α波又分為三種, 慢速α波 8-9赫茲 臨睡前頭腦茫茫然的狀態。意識逐漸走向糢糊。 中間α波 9-12赫茲 靈感、直覺或點子發揮威力的狀態。身心輕鬆而注意力集中。 快速α波 12-14赫茲 高度警覺,無暇他顧的狀態。 ?引導出潛在能力 ?提升記憶力及集中力 ?發揮靈感及創造力 ?增強身心健康、自然自癒力 二、 腦電圖是什麼 腦電圖是利用電器儀器將腦細胞活動時所造成的電場變化加以放大後,用頭皮電極記錄下來,而以波型顯示出來的腦細胞活動的記錄圖,是非侵犯性的檢查。據此,臨床醫師可以評估病人在腦波檢查時腦部細胞活動的狀況。 腦波檢查方式可簡單分類如下, 1. 清醒期腦波檢查(約30分鐘) 2. 睡眠期腦波檢查(約30-60分鐘) 3. 顱底電極腦波檢查(約30-60分鐘),SPHENOID LEAD EEG 3 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 4. 誘發試驗腦波檢查(約30-60分鐘),深呼吸、光刺激…等 5. 超長段腦波檢查(約24小時) 6. 電腦化腦波檢查(配合電腦統計分析) 7. 同步錄影腦波檢查(配合錄影作業監視) 8. 腦皮質腦波檢查(手術時直接腦皮質記錄) 三、 腦電訊號的取得 四、 何謂腦電波誘發電位,Event-Related potential, ERP, ERP的全名為Event-Related Potential,即為「事件關聯的電位波」，這是指在將EEG訊號以刺激(stimulus)、自發動作(event)或反應(response)為基點,取固定的時間間距,例如平均事件前200毫秒和事件後300毫秒之間的所有訊號。如下圖時間軸所示, 其如下: 在訊號處理的過程中,亦配合PCA(principle component analysis)和ICA(independent component analysis)進行訊號處理,藉由多重的方法確認發出訊號的位置,波的頻率和出現時間,以及其傳導的方向等等。以此驗證腦部執行行 4 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 為或認知活動時所產生的各種不同型態的波。進一步對於大腦的了解和臨床的診斷有更進一步的貢獻。 五、 何謂事件相關非同步/同步腦波律動,Event-Related Desynchronization/Synchronization, ERD/ERS, 人腦中存在有許多的功能區域性腦波律動(Brain rhythm),比較為人所知的有(1)Mu rhythm:約存在於10~20Hz的頻帶之間,主要區域為感覺運動區(sensorymotor area),(2)Tau rhythm:約存在於8~10 Hz之間,存在區域為上顳葉皮質區(upper temporal lobe),(3)sigma rhythm:月存在於7~9 Hz之間,存在區域為sensory area,(4)Alpha rhythm:約10Hz,存在區域為枕葉視覺區。 這些Brain rhythm具有特定的功能以及特定存在的區域,所以可以用來作特定區域的功能性分析。然而這些腦波律動的訊號屬於非相位鎖定(nonphase-locked)的訊號,所以不能用一般event-related potential(ERP)直接平均的方法來得到結果,而必須採用nonphase-locked的分析技巧來計算由外界刺激所產生的反應。利用腦電波和腦磁波來量測 event-related rhythmic nonphase-locked是目前國外 5 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 各研究單位十分重視的重點之一,G.Pfurtscheller利用腦電波量測finger tapping task的event-related nonphase-locked 訊號,並使用power method inter-trial variance的方法,計算在event發生前後所產生的能量變化,結果發現在運動前,10Hz附近的mu rhythm會有能量遞減的現象,稱為event-related desynchronization (ERD),此外,再運動結束後約1秒中會再20Hz左右有一個能量的反彈 (rebound),稱為event-related synchronization (ERS)。,. Hari利用temporal spectral evoluation (TSE)的方法在腦磁波上計算ERD和ERS,並得到與在腦電波上類似 的結果。Clochon et al.利用Hilbert transform對所量到的腦電波訊號進行計算,增 進了計算的結果。R. Hari et al.利用equivalent dipole fit (ECD) 的方法對於腦中產 生Brain rhythm的位置進行dipole localization的估算,並對所量測到的訊號作 dipole modeling來解釋所量測到的現象。 此外,ERD和ERS也可以用於病兆的診斷與分析,G. Pfurtscheller和G. Magnani等人利用腦電波量測腦局部貧血(ischemia)、癲顯(epileptic),以及帕金 森(Parkinson)等病人的motor task 的ERD和ERS。發現在重度腦局部貧血病人 的患側,會偵測不到ERD,而在輕度腦貧血患者的會測,ERD會比較小。對於帕 金森的病人,因為ERD與運動的準備(motor preparing)和籌畫(motor planning)有 關,所以在帕金森的病人可以看到ERD的起始點(starting point)比正常人慢,而 且ERD和ERS的程度都比正常人小,經過給予L-DOPA治療後,則恢復正常。 對於epileptic的病人,ERD的起始時間比正常人的慢,而ERD和ERS的恢復時 6 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 間也比正常人慢。由此可知,rhythmic ERD和ERS的分析,也可以用於臨床功能性障礙病症的診斷上。 六、 儀器圖像 安全舒適的腦電波量測環境 腦電波量測操作環境 電極網成像定位儀(Geodesic Photogrammetry System ,GPS) 七、 參考文獻 1. 2. 3. 4. in/brain05BrainWave.htm 5. 7 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷 6. d3.doc 8 BCI HOMEWORK 06 黃煒婷