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追問快讀：腦電圖（EEG），自1924年誕生以來，歷經(jīng)早期科學(xué)家的偶然發(fā)現(xiàn)至學(xué)院派的系統(tǒng)研究，短短百年間，已成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究工具。與后來興起的各種神經(jīng)影像技術(shù)相比，EEG似乎失去了往日的風(fēng)光，但在神經(jīng)科學(xué)的歷史舞臺上，腦電圖一直占據(jù)著重要位置。它至今仍然是時間維度最準(zhǔn)確的大腦信號記錄手段之一。今年正好是腦電圖誕生100周年，在此之際，與我們一同追溯這一技術(shù)的發(fā)展軌跡，探索其過往與未來。

腦電圖是什么

腦電圖與心電圖，肌電圖一樣，是一種非侵入性記錄大腦電信號活動的方法。如下圖所示，在一次腦電圖測量中，電極傳感器將連接到頭皮表面，將神經(jīng)細(xì)胞的同步活動傳導(dǎo)到計算機(jī)里，用來反應(yīng)細(xì)胞外的電流。值得注意的是，腦電圖主要反映了與腦電極接近的皮層神經(jīng)元的活動，深部結(jié)構(gòu)如海馬、丘腦或腦干并不直接對腦電圖產(chǎn)生影響。

?腦電裝置。圖源：mayoclinic

腦電圖使人們能夠發(fā)現(xiàn)各種頻率的腦波，并且可以用來評估不同形式的睡眠和癲癇病癥。正常人類腦電圖的活動主要在1至30赫茲的范圍內(nèi)，主要分為α波（8-13赫茲）、β波（13-30赫茲）、δ波（0.5-4赫茲）和θ波（4-7赫茲）。

α波：它是放松清醒狀態(tài)的典型特征，最突出的區(qū)域是頂葉和枕葉，例如，在大腦放空或冥想狀態(tài)下，大腦會進(jìn)入α波。β波：在強(qiáng)烈的神經(jīng)活動期間，較低振幅的β波更突出，主要出現(xiàn)在額葉區(qū)域和其他區(qū)域，被認(rèn)為是工作記憶、邏輯思考時的標(biāo)志。θ波和δ波：它們在昏昏欲睡和早期睡眠期間中存在，如果在清醒狀態(tài)下出現(xiàn)這些波，則是腦功能障礙的跡象。

?腦電波各種波形。圖源：infoinstruments

1924年的誕生

早在1755年，意大利科學(xué)家路易吉·伽爾瓦尼（Luigi Galvani）、亞歷山德羅·伏爾塔（Alessandro Volta）、喬治·歐姆（Georg Ohm）和邁克爾·法拉第（Michael Faraday）證明了生物組織具有顯著的電學(xué)性質(zhì)。

1870年，古斯塔夫·泰奧多·弗里奇（Gustav theodor Fritsch）在狗的大腦上進(jìn)行了研究，發(fā)表了題為《關(guān)于大腦電刺激性》（On the electrival excitability of the brain）的文章。他在狗的大腦中發(fā)現(xiàn)了裸露大腦半球的電刺激性，得出了大腦部分區(qū)域具有運(yùn)動功能的結(jié)論。但是，他的研究受到了學(xué)界的極大懷疑，當(dāng)時的主流觀點(diǎn)是電流是在大腦深處產(chǎn)生的，而不是通過皮層的作用。

1913年，前蘇聯(lián)生理學(xué)家普拉夫維奇-涅明斯基（Prawdwicz-Neminski）從一只狗身上記錄了EEG。由于當(dāng)時的電極電學(xué)變化非常小并且缺乏放大程序，實(shí)驗(yàn)只能在暴露的大腦上進(jìn)行。普拉夫維奇-涅明斯基第一次描述了在正常條件下的12到14赫茲的節(jié)律，并創(chuàng)造了“腦電圖”這一術(shù)語。

?普拉夫維奇-涅明斯基（Prawdwicz-Neminski）。圖源：The Brainclinics Foundation / YouTube

將腦電圖真正帶入科學(xué)界的是德國精神病學(xué)家漢斯·伯格（Hans Berger）。伯格的EEG研究源于對妹妹的心靈感應(yīng)的興趣。1893年，19歲的伯格在德國軍隊(duì)的演習(xí)中從馬上摔下來，幾乎被馬踩到。就在同一天，遠(yuǎn)方的妹妹對伯格產(chǎn)生了不祥的預(yù)感。她說服父親發(fā)了一封電報，問漢斯一切是否安好。對于年輕的伯格來說，這種詭異的同時性不是巧合，而是一種“自發(fā)的心靈感應(yīng)”。伯格確信他已經(jīng)向妹妹傳遞了自己的恐懼思緒，因此，他決定學(xué)習(xí)精神病學(xué)，試圖揭示思想如何在人與人之間傳遞的奧秘。這場陰差陽錯的事故讓伯格對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和科學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)：他發(fā)明了腦電圖，第一次系統(tǒng)性地對人腦進(jìn)行腦電圖記錄。

?漢斯·伯格（Hans Berger），圖源：sciencenews

1924年7月，一名17歲的男孩接受了神經(jīng)外科手術(shù)，由于頭部受傷，男孩的大腦部分暴露在外。在這個意外的機(jī)會下，漢斯·伯格醫(yī)生通過受傷的大腦骨窗，記錄了他的腦電圖。在此之后，伯格開始嘗試通過頭皮記錄腦電圖，被記錄的第一名志愿者便是他的兒子。他使用的是一個簡易的單通道儀器，盡管記錄時間短暫，僅1至3分鐘，但他成功描繪了a節(jié)律和β活動，并確定了正常的枕葉背景節(jié)律以及更快頻率的β波，這象征著EEG的正式誕生。漢斯前前后后積累了76名患者的1133次記錄。可惜的是，盡管他發(fā)表了14篇科學(xué)報告，但因?yàn)檎撐氖怯玫抡Z寫的，伯格在當(dāng)時并沒有得到應(yīng)有的榮譽(yù)。

在對人類腦電圖的研究中，伯格始終緊跟技術(shù)的最新進(jìn)展，從最初的愛因斯坦型號，到埃德爾曼，再到功能更為強(qiáng)大的西門子型號，他不斷嘗試使用不同的設(shè)備記錄腦電圖。1929年，他利用這臺西門子儀器，記錄了他首次報告中顯示的人類腦電圖示跡。

?漢斯發(fā)表的第一個人腦電圖結(jié)果。圖源：sciencenews

到了1934年，英國科學(xué)家埃德加·阿德里安勛爵（Lord Edgar Adrian）和布萊恩·馬修（Brian Mattews）在劍橋生理學(xué)會的一次公開演示之后，驗(yàn)證了伯格的研究——“伯格節(jié)律”（Berger Rhythm），并發(fā)表在Brain雜志上。借助安德里安和馬修的技術(shù)改進(jìn)，伯格繼續(xù)他的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受試者睜開眼睛或者正在思考解決問題時，大腦廣泛且規(guī)律的節(jié)律會發(fā)生改變。

在整個1930年代，伯格繼續(xù)研究人類腦電圖，并發(fā)表了好幾篇報告，其中包含一些珍貴的發(fā)現(xiàn)，比如意識波動的研究、睡眠紡錘波（sleep spindle）的腦電圖，缺氧對人腦的影響，各種彌漫性和局部性腦疾病，甚至還有癲癇放電的一些跡象等等。

可惜的是，這位偉大的科學(xué)家后來的故事走向了黑暗。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前，他被趕出了德國耶拿大學(xué)的研究職位，并被迫在一家養(yǎng)老院從事非研究性工作。他相信自己患有致命的心臟病，并且患有感染和抑郁癥，最終于1941年自殺身亡。現(xiàn)在科學(xué)界一致認(rèn)為伯格值得一個諾貝爾生理學(xué)獎，只可惜1942和1947年被提名時，這位腦電圖的奠基人早已離開了人世。

從歐洲到北美

1935年左右，新興的腦電圖科學(xué)的重心開始從歐洲轉(zhuǎn)移到北美，引領(lǐng)這一變遷的是一群從歐洲橫跨大西洋而來的研究人員。

在這個新的舞臺上，美國的腦電圖科學(xué)迅速獲得了國際聲譽(yù)，最值得一提的是哈佛大學(xué)的霍洛韋爾·戴維斯（Hallowell Davis）、弗雷德里克·A·吉布斯（Frederic A. Gibbs）和厄爾娜·L·吉布斯（Erna L. Gibbs）以及布朗大學(xué)的赫伯特·H·賈斯珀（Herbert H. Jasper）的研究。

戴維斯的研究生A·J·德比希爾（A. J. Derbyshire）深受伯格1929年的論文啟發(fā)，一直在試圖證明α節(jié)律的存在，然而屢次嘗試均以失敗告終。直到1934年，戴維斯親自記錄到自己的α節(jié)律，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一片歡呼雀躍。

?A·J·德比希爾 (左) 、霍洛韋爾·戴維斯與早期的EEG設(shè)備。圖源：oto.wustl.edu

同年，臨床腦電圖學(xué)的突破發(fā)生在癲癇患者的研究中。弗雷德里克·A·吉布斯找到了當(dāng)時一位廣為人知的癲癇學(xué)家威廉·G·萊諾克斯（William G. Lennox）。萊諾克斯已經(jīng)開始通過測量頸靜脈血液中的氧氣和二氧化碳含量來研究大腦循環(huán)。來自德國的移民厄爾娜·L·吉布斯是萊諾克斯的技術(shù)合作者，并成為他的妻子。吉布斯自學(xué)成才，成為世界上最早的腦電圖技術(shù)員之一，并在許多重要的研究論文中擔(dān)任合作者，包括研究大腦血流這一領(lǐng)域的里程碑研究等。

在隨后的幾年中，腦電圖開始比大腦血流更受到萊諾克斯的關(guān)注。其中值得一提的是，萊諾克斯、吉布斯、戴維斯的另一項(xiàng)合作。他們在12名癲癇兒童上描述了3Hz的尖波復(fù)合體與癲癇性失神（petit mal absences）的關(guān)聯(lián)性，現(xiàn)在這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)成為了腦電圖領(lǐng)域的常規(guī)檢測手段。

?1937 年，威廉·G·萊諾克斯、厄爾娜·L·吉布斯和弗雷德里克·A·吉布斯在紙卷上檢查腦電圖。圖源：Stone, James L., and John R. Hughes. "Early history of electroencephalography and establishment of the American Clinical Neurophysiology Society."Journal of Clinical Neurophysiology30.1 (2013): 28-44.

與著迷于振蕩節(jié)律的伯格不同，弗雷德里克·吉布斯對突發(fā)性腦電圖模式（paroxysmal EEG patterns）（比如尖波）更感興趣。接著，吉布斯、萊諾克斯和吉布斯報告了癲癇大發(fā)作（grand mal）和精神運(yùn)動性癲癇的腦電圖模式，但大發(fā)作中的快速尖波區(qū)間和精神運(yùn)動性癲癇中的4或6Hz節(jié)律活動，并沒有像失神性癲癇中的3Hz尖波那樣受到關(guān)注。

與此同時，他們也意識到了腦電圖示跡技術(shù)的局限性。因此，在1935年的夏天，吉布斯夫婦訪問了德國的伯格，并在柏林布赫研究所學(xué)習(xí)了滕尼斯（J. F. Toennies）的“多神經(jīng)圖儀器”。到了歐洲以后，他們還見到了英格蘭馬修斯的儀器。弗雷德里克·吉布斯隨后聯(lián)系了麻省理工學(xué)院的阿爾伯特·格拉斯（Albert Grass），請他制造了一臺三通道前置放大器，結(jié)果產(chǎn)生了格拉斯I型EEG。這臺儀器有三個通道和一個油墨寫字器，示跡記錄在紙卷上。格拉斯I型于1935年投入使用，標(biāo)志著商業(yè)腦電圖的時代已經(jīng)開始。

現(xiàn)在回看歷史，1930年代的吉布斯-吉布斯-萊諾克斯時代被證明是腦電圖歷史上最激動人心和最富生產(chǎn)力的時期之一。在那些年里，腦電圖在癲癇性發(fā)作障礙領(lǐng)域發(fā)揮了最大的效用。

?格拉斯腦電儀型號 8-10C。圖源：Niall Williams

在20世紀(jì)30年代的臨床腦電圖研究領(lǐng)域中，另一位值得一提的先鋒是威廉?格雷?沃爾特（William Grey Walter）。沃爾特在1936年的工作使他成為了臨床腦電圖的開創(chuàng)人。當(dāng)時，他首次將EEG應(yīng)用于腦腫瘤的診斷，并在手術(shù)中監(jiān)測麻醉效果。沃爾特確定了慢腦電活動中的δ波和θ波，并引入了第一種自動分析腦生物電信號的方法。

?威廉?格雷?沃爾特（左），圖源：Wikipedia

從1960年起，腦電圖不僅在臨床上被用來研究和診斷癲癇和占位性病變，還在許多其他領(lǐng)域也成為一種有用的診斷和預(yù)后測試。與此同時，腦電圖還有助于定義和標(biāo)準(zhǔn)化各種睡眠階段，并為睡眠障礙的研究提供了有用的信息。

然而，在第二次世界大戰(zhàn)期間（1939年-1945年），研究和臨床腦電圖活動受到了限制，特別是在歐洲。戰(zhàn)后，北美與歐洲之間的鴻溝前所未有地加大，歐洲的腦電圖研究處于低谷。與此同時，大洋彼岸的弗雷德里克·吉布斯和他的同事在患有精神運(yùn)動性癲癇的患者間發(fā)作間隙期間，又進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于前顳葉尖波放電的重要研究，這項(xiàng)研究是闡明顳葉癲癇病機(jī)理的一項(xiàng)重要工作，對整個腦電圖實(shí)驗(yàn)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

盡管吉布斯在國際上享有極高的聲譽(yù)，并被認(rèn)為是臨床腦電圖領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，但他在哈佛的職位卻與其聲望不符。他擔(dān)任的僅僅是講師，地位和薪水遠(yuǎn)低于教授——盡管許多歐洲同行都希望能夠訪問他的實(shí)驗(yàn)室。

腦電圖在臨床上的普及

在1950年代，腦電圖成為了“家喻戶曉”的名詞。在這個十年的早期階段，幾乎每個學(xué)術(shù)性的三級醫(yī)療中心都擁有至少一臺腦電圖機(jī)。到了這個十年的末尾，腦電圖設(shè)備更是普及到許多較小的醫(yī)院甚至私人診所。大學(xué)醫(yī)院里也建立了中央以及各個部門的腦電圖實(shí)驗(yàn)室，后來兒科腦電圖也逐漸發(fā)展起來。

一些精神病科部門對自己的臨床和研究導(dǎo)向的腦電圖工作感到特別自豪，那時醫(yī)生們已經(jīng)清楚地認(rèn)識到，許多影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病都能在腦電圖上找到或多或少的對應(yīng)跡象。

一些研究以癲癇為導(dǎo)向的神經(jīng)外科醫(yī)生，如懷爾德·潘菲爾德（Wilder G. Penfield）或阿瑟·厄爾·沃克（A. Earl Walker），開始對腦電圖及其在大腦皮層或皮質(zhì)深部的使用感興趣。在20世紀(jì)50年代末，邁耶斯（Meyers）和海因（Hayne）以及諾特（Knott）等人首次在人體中使用植入式顱內(nèi)電極進(jìn)行深度腦電圖檢查，在20世紀(jì)60年代，深度腦電圖在難治性癲癇患者的手術(shù)中找到了最佳應(yīng)用場景。

在經(jīng)歷了30年后，臨床和實(shí)驗(yàn)性腦電圖研究的迅速持續(xù)發(fā)展在1960年左右達(dá)到了高峰，隨后研究活動開始放緩。學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中的腦電圖專家對示蹤圖表和腦波模式的興趣開始轉(zhuǎn)向自動數(shù)據(jù)分析。特別是，庫利和圖基（Cooley and Tukey）在1965年引入了快速傅里葉變換，以提取信號的譜或頻率內(nèi)容，作為功率譜分析的基礎(chǔ)。通過他們的工作，腦電圖的計算機(jī)化達(dá)到了新的標(biāo)準(zhǔn)，為我們今天熟知的定量腦電圖（qEEG）鋪平了道路。

20世紀(jì)70年代和80年代，隨著計算機(jī)斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）等結(jié)構(gòu)神經(jīng)影像技術(shù)的出現(xiàn)，腦電圖在診斷結(jié)構(gòu)性腦異常方面的地位似乎受到了挑戰(zhàn)。但這種替代似乎更多是表面上的，因?yàn)槟X電圖本質(zhì)上從未是一項(xiàng)面向結(jié)構(gòu)的測試，而是唯一能提供大規(guī)模、新皮質(zhì)動態(tài)功能實(shí)時測量的診斷工具。

后來，局部腦電圖診斷（Topical EEG diagnosis）以計算機(jī)化腦功能定位的形式讓EEG再次回歸大眾視野，這一發(fā)展與弗蘭克·達(dá)菲（Frank Duffy）這個名字密切相關(guān)，他的著作《臨床腦電圖和拓?fù)浯竽X定位》（Clinical Electroencephalography and Topographic Brain Mapping）為腦電圖技術(shù)注入了新的活力，實(shí)現(xiàn)了“新瓶裝舊酒”的創(chuàng)新。

展望與結(jié)語

如今，腦電圖在臨床上和科研上都用來進(jìn)一步闡述大腦功能，其發(fā)展方向可以歸結(jié)為“空間上尺度更小，時間上更加精確”。在當(dāng)代腦科學(xué)研究中，通過腦電圖研究人類的注意力、意識、語言和決策過程，研究者希望通過解析腦波的動態(tài)特征來深入理解大腦的運(yùn)作方式。

在臨床上，除了傳統(tǒng)的癲癇、睡眠研究，人們還希望進(jìn)一步在腦電圖的蹤跡中找尋神經(jīng)系統(tǒng)疾病的線索，比如通過腦電圖生物標(biāo)志物和AI的結(jié)合，來進(jìn)行疾病的早期檢測、診斷和治療監(jiān)測等等。此外，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展使得腦電圖得到了新的應(yīng)用，如輔助重度殘疾人士進(jìn)行交流，或幫助癱瘓患者通過假肢恢復(fù)運(yùn)動功能。

腦電圖在下一個百年之后會怎樣？我們無從得知，但如果有一天腦電圖記錄能像運(yùn)動手表記錄心率脈搏一樣便捷的話，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)淮蟠笸卣埂脮r，它將跨越科研與臨床，成為每個人日常生活中的一部分。

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Niedermeyer's electroencephalography _ basic principles, clinical applications, and related fields (2018)

Clinical Electroencephalography-Springer International Publishing (2019)

Gyorgy Buzsaki - Rhythms of the brain-Oxford University Press, USA (2006)

Stone, J. L., & Hughes, J. R. (2013). Early history of electroencephalography and establishment of the American Clinical Neurophysiology Society. Journal of Clinical Neurophysiology, 30(1), 28-44.