摘要：为普及脑科学前沿知识，北京神经科学学会举办了“探索大脑”科普征文活动。活动收到来自科研工作者、医务工作者及医学爱好者等投来的众多原创作品，经专业评审，从科学性、创新性、科普性等维度遴选出了一批优秀科普作品，现对部分作品进行展示，一起感受脑科学的独特魅力，见证神
为普及脑科学前沿知识，北京神经科学学会举办了“探索大脑”科普征文活动。活动收到来自科研工作者、医务工作者及医学爱好者等投来的众多原创作品，经专业评审，从科学性、创新性、科普性等维度遴选出了一批优秀科普作品，现对部分作品进行展示，一起感受脑科学的独特魅力，见证神经科学研究的创新力量。
脑电波，是我们破解大脑奥秘的一扇窗。让我们跟随医学生小陈的脚步，去探索脑电波，认识这个神奇而复杂的“脑电信号”，理解它背后的科学原理与实际应用。
一 什么是脑电波？
小陈读医科大学的时候，越学越感叹人体的复杂和精密。作为人体的“司令部”，大脑重量仅为人体总重量的2%，但耗氧量却占全身耗氧量的20%~30%；大脑有着强大的信息处理能力(执行人的想法等)，这依赖脑细胞内部和细胞之间的化学递质和电信号帮忙。大脑的一切都令小陈感到新奇。
还记得中学时代“青蛙实验”证实的“生物电”吗？医学中广泛应用心电图、脑电图、肌电图等检测生物电的方法来协助诊治疾病。其中，脑电图记录着脑细胞的电活动情况。Mathew Walker 教授对此做了形象的比喻：一个个脑细胞好似一个超大型体育场的所有观众，脑细胞处理着多种信息的过程好似体育场观众坐在不同的位置互相谈论着不同的事情，头皮的记录电极好似一个个挂在体育场上空的麦克风，采集着它们的对话(电信号)，进而形成脑电波。
二 脑电波的类型
小陈第一次到脑电图室实习，看到患者头皮上固定着许多个记录电极，连着一根根导线，另一端的电脑上显示着一条条略微杂乱的波形。他想起1924年德国Hans Berger教授在脑内电信号记录的基础上，第一次记录了人类头皮脑电信号，演示了不同类型的脑电波。其后仅仅一百年的时间，脑科学就发生了翻天覆地的变化。不同状态的脑电波有所不同,脑电波根据频率（1秒内包含重复脑波的数量，单位Hz）不同主要分为：
α波（8～13Hz， 见于平静放松状态）
β波（14～30 Hz，见于紧张、专注和运动状态）
θ波（4～7.5 Hz，见于渐睡状态）
δ波（小于3.5Hz，见于深睡眠时）
图1 脑电波采集示意图及主要波形
三 基于脑电波的睡眠分期
出于对脑科学和睡眠科学的热爱，小陈考取了睡眠专业的研究生。他逐渐理解了睡眠并不是简单的意识缺失，而是精准调控的动态过程，有着复杂的生理变化和重要功能。记录脑电波则是睡眠研究的重要一环。
根据脑电波和生理状态，睡眠划分为：
非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement，NREM）
快速眼动睡眠（rapid eye movement，REM）。
非快速眼动睡眠按睡眠由浅至深分为4个阶段：
Ⅰ期（入睡期）
Ⅱ期 [浅睡眠期；这一期脑电中出现纺锤波（频率为12～14Hz，波幅形似纺锤）和K-综合波]
Ⅲ期和Ⅳ期（深睡眠期；脑电波频率渐渐变慢，最终 δ 波占主导）。Ⅲ期和Ⅳ期又称慢波睡眠。
四 独特的快速眼动睡眠期
小陈惊讶地发现，快速眼动睡眠期的脑电波同清醒并且专注时的脑电波类似，又称快波睡眠。这时大脑很活跃，眼球在眼皮下面快速运动，但四肢和躯干的肌肉最为松弛，几乎完全不能活动。
快速眼动睡眠期相当独特，多数梦都发生在这一时期，梦境生动。在快速眼动睡眠期醒来，有时可以记得这些梦，回味也更充分。在这一时期，大脑麻痹了身体，人才能安全地做梦，不会随梦境挥拳和奔跑。
五 睡眠周期
小陈在睡眠中心接触到多导睡眠图（即采集并分析睡眠中脑电波、眼动电图、肌电图、胸腹呼吸等多种指标的一种检查），发现各睡眠分期并不是完全依次进行，脑电波往往是渐进变化，重叠交错，有所侧重的。每天晚上非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期交替出现，每交替一次为1个周期，每个周期大约90分钟（成人），每晚出现4～5个这样 的周期（图2）。前2个睡眠周期中慢波睡眠多见，后半夜睡眠周期中快速眼动睡眠时间越来越长。
图2 脑电波采集示意图及主要波形
六 脑电波的应用
虽然脑电波不能精准反映每一个脑细胞的所有活动，我们仍然可以抽丝剥茧，总结规律，“窥一斑而略知全豹”。
白天大脑活跃时，脑电波快而波幅小，规律性差（β 波）；
放松闭眼休息时，α波占主导；
瞌睡或深睡眠时，脑电波慢而波幅大，规律性强（θ 波和 δ 波）；快速动眼睡眠期的脑电波同清醒期类似。
异常脑电图波形有尖波和棘波（波幅高而尖锐，尖波比棘波时限长）、尖慢波（尖波接慢波形成的复合波）、棘慢波、三相波等。
小陈了解到，作为一项临床常规检查，脑电图/视频脑电图等有助于疾病（癫痫等）的诊断、鉴别诊断、病灶定位和疗效判断等；脑电波也是人为划分睡眠阶段的基本依据；脑电记录常常与影像等技术结合，涉及认知神经科学、脑机接口等前沿领域。
正常人每天总是在清醒、非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期三种状态之间转换，各期脑电波有着鲜明的特点。随着脑科学和计算机技术的发展，我们期待创造更为精准、 无创的采集和处理脑电信号的方式，能够揭开更多神经传递的秘密，开拓更广阔的应用前景。
作者：霍阳 郭淮莲
参考资料：
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[4]Rundo JV, Downey R. Polysomnography[!]. Handb Clin Neurol, 2019, 160: 381-392.
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来源：科学的十分