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1、生物电,生物电的发现,1791 年意大利解剖学家加伐尼（L.Galvani）偶然发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩，他把这种现象归因于动物电。,伽伐尼（Galvani,L.1737-1798）,生物电势的产生,实验证明，在所有用半透膜隔开的两种或几种以上的电解液，或电解液相同但浓度不同的膜两侧，都存在着电势差，这种电势差称为跨膜电势或膜电势。,人体任何细微的活动，都伴随着生物电的产生和变化 生物电是以细胞为单位产生的。,跨膜电位差形成的原因： 膜内外各种离子分布不均匀不对称性； 膜对各种离子具有不同的通透性选择通透性； 离子间存在静电相互作
2、用离子浓度和功能不同。,磷酸头 （亲水性）,甘油酯尾 （疏水）,磷脂分子, 细胞膜脂双层,细胞静息电位 当细胞不受外界影响，处于静息状态，其膜内外因离子的浓度差导至产生电势差。,多离子的扩散电势,其中，F是法拉第常数，R是气体常数，T是绝对温度，Z通透常数,D+n、D-k分别表示各种正负离子的通透系数，c+in、c+on和c-ik、c-ok分别为各种正、负离子在膜内外的摩尔离子浓度。,这就是著名的戈德曼方程（Gokdman-Hadgkin-Katz），简称GHK方程。,细胞的动作电位,细胞受到刺激后的这种短暂的电势差值，叫做动作电势，能够产生这种动作电势的细胞叫做可兴奋细胞。,应用,生物器官或
3、组织对外界刺激作出反应，如含羞草的敏感细胞受到刺激后，马上产生动作电势，当传到叶座时，使叶座基部膨压发生变化，引起叶柄下垂，小叶关闭。还有大型多核细胞的狸藻，其动作电势更为显著。,实验发现，神经与肌肉的细胞膜有改变他们自己对钾离子和钠离子通透性的能力。当细胞受到外来的刺激时，（如电的、化学的或机械的、热的）只要刺激达到一定的强度，细胞对钠离子的通透性会突然变大（比原来的通透性要大1000倍以上）。大量的钠离子在电场力和浓度梯度的双重影响下涌入细胞内，使膜内部分带正电，膜外部分带负电，这种状态称为去极化。,大约在0.2ms时间内，细胞膜对钠离子的通透性大于钾离子的100倍。膜内正离子增多，进一步
4、加速了膜的去极化，并降低了原有的静息电位。当膜内外钠离子的浓度差和电位差的作用相互平衡时，膜的极化发生了倒转，从原来有-85mv变成+60mv左右。此后细胞膜又使Na+离子不能通透，,而钠-钾泵仍不断地将膜内的钠离子逆着浓度差排出膜外，同时在其协同作用下，使膜外的钾离子回到了膜内。离子在兴奋时的移位，都获得了恢复，再度达到平衡，维持了-85mv的电位差。, , , ,动作电位的传导,动作电位以局部电流的形式传导, ,脑电的发现,Richard Caton(1842-1926)是第一位研究脑电活动的人。他是英国的一名医生，主要研究兔子和猴子的暴露的大脑半球的电现象。Caton于1875年8月24
5、日报告了他的发现，他用电流计描记出兔子和猴子的脑电波的震荡电位，他还描述这样的现象“当灰质的任何一部分处于功能活动状态的时候，其电流通常会出现负的变化”，,Richard Caton(1842-1926),Beck于1890年曾从动物的大脑描记出连续的电流，并证明它是与周缘刺激、呼吸和心率无关的自发性电活动。德国神经精神病学家 Hans Berger（1873-1941）被认为是人类脑电图的发现者。他在1902-1910年间使用毛细管静电计（capillary electrometer）研究过狗的脑电活动，首次将脑电命名“elektenkelphalogram”（德文）。,Hans Berge
6、r（1873-1941）,脑电信号研究意义,脑电信号是大脑神经元突触后电位的综合，具有丰富的大脑活动信息，是大脑研究、生理研究、临床脑疾病诊断的重要手段。,脑电产生的生理机制及基本分类,神经系统的结构和机能单位是神经细胞，也称为神经元(neuron)。而大脑皮质中与功能有关的神经元主要是位于皮质层的锥体细胞。,在人的头皮表面，我们可以记录到两大类脑电活动即自发脑电图（Electroencephalogram，简称EEG）和与一定刺激相关的脑诱发电位（Evoked potentials，简称EP）。,自发脑电,这是一些自发的有节律的神经电活动，其频率变动范围在每秒130次之间，可划分为四个波段，
7、即（13Hz）、（47Hz）、（813Hz）、（1430Hz）。 （这几种波的频率边界，在学界还没有完全统一的标准。亦有学者认为波小于4Hz，波47Hz，波812Hz，波1335Hz，并认为有大于35Hz的脑电波，并命名为波。长期处于该状态下的人会有生命危险） 一、“”（阿尔法）脑电波，其频率为8-12Hz（赫兹）。当你或我的大脑处于完全放松的精神状态【空的状态】下，或是在心神专注的时候出现的脑电波。 、“”（贝塔）脑电波，其频率为14100Hz。这种脑电波反映的是人类在一种通常的、日常的清醒状态下的脑电波情况。 “”（西塔）脑电波，其频率4-8Hz。这个阶段的脑电波为人的睡眠的初期阶段。即当
8、你开始感觉睡意朦胧时介于全醒与全睡之间的过渡区域你的脑电波就变成以48Hz的速度运动。 ”（得尔塔）脑电波，其频率为0.5-4Hz。它为人的深度睡眠阶段的脑电波。当你完全进入深睡时，你的大脑就以0.54HZ运动，即波。你的呼吸深入、心跳慢、血压和体温下降。,美国快速学习先驱泰丽韦伯指出：波很快的脑电波“对我们度过白天很有好处，但抑制了我们进入大脑更深层面。在、波类型中可以进入更深的层面，这两种脑电波以放松、注意力集中和舒适等主观感受为特征。就是在、波状态下，非凡的记忆力、高度专注和不同寻常的创造力都可以取得。”你在快速阅读训练中怎样才能够取得对人的学习记忆最好的、波状态，正是精英特在训练中要帮
9、助你解决的重要题。,诱发脑电,除自发脑电波以外，用刺激的方法能够引起大脑皮层局部区域电活动。通常是在刺激感觉通道相对的感知部分测到。诱发脑电的电位很弱，幅度一般在0.1-10uV 范围。由于皮层随时会产生自发脑电 EEG，诱发电位是出现在自发脑电波的背景上面。EEG幅度一般在5-200uV范围，所以诱发脑电完全被自发脑电淹没诱发电位的提取，需要各种信号处理方法，并用计算机完成。,EP不同于传统的EEG。它具有以下三个特性： 1 EP的出现与刺激之间有确定和严格的时间关系，即有较稳定的潜伏期。 2 某种刺激引起的 EP 有一定的反应形式，不同感觉系统中反应的形式也不相同。3 由各种感觉刺激引起的
10、 EP，在大脑内具有各自不同的空间分布。因为EP 是在刺激控制下出现，同时具有上述特性，故它可以提供关于不同感觉系统及相应脑区的更多信息，是一个较复杂的、有一定规律的、具有潜伏期、极性、波幅和时程的特定脑电图形。因此 EP 比 EEG 记录有较多的数据分析的可能，是EEG无法比拟的。,基于 EP 上述特性，对诱发脑电的处理，一般采用叠加技术和平均技术，叠加技术是把多次的刺激波按一定的次序累加起来。平均方法是把累加的结果除以刺激次数，恢复 EP。两种方法的本质是在反复给予相同的刺激过程中，使与刺激有固定时间关系的电位活动逐渐增大；而与刺激无固定时间关系的背景电活动在多次运算中能够相互抵消，逐渐使
11、EP从背景中显示出来。,P300,P_(300)(P_3)是一种脑诱发电位,又称认识或识别电位,为事件-相关电位(event-related potentials,ERP)的正相晚成分(latepositive component,LPC)。 1965年Sutton等开始发现脑诱发电位的这一长潜伏期成份,因它是在有关刺激出现后300ms左右发生的正相波因而命名P_(300)。P300电位在ERP中具有特殊意义，大量的临床研究亦发现并证实，在认知功能损害的有关疾病中，P300潜伏期和波幅亦发生相应改变，为有认知功能损害疾病的诊断和评估预后提供了一个重要客观的辅助手段。研究发现P300的波幅与所投
12、入的心理资源量成正相关，其潜伏期随任务难度增加而变长。,脑电图 脑电图是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。将脑细胞电活动的电位作为纵轴，时间作为横轴，这样把电位与时间的相互关系记录下来的就是脑电图。关于脑电波形成的机制，有很多假说，较多的人认为，皮层表面的电位变化，主要是由神经细胞的突触后电位形成的。当然单个的细胞的突触后电位不足以引起皮层表面的电位改变。,将电极按照一定的目的组合起来进行某种形式的记录称为一种导联(Montage)，常用的有单极导联和双极导联。,脑电信号预处理,按照国际统一标准，电极的放置有下列几个基本原则: 1.电极位置应根据颅骨标志的测量加以确定，测量应尽
13、可能与头颅的大小及形状成正比。 2.电极的标准位置应适当地分布在头颅的所有部位。 3.电极位置的名称应结合脑部分区(如额、颞、顶、枕)，这样可使非专业人员也能了解。 4.国际通用阿拉伯数字:左半球为奇数，右半球为偶数，零点代表头颅中位； A1和A2代表左右耳垂(无关电极)。,人脑,放大器,滤波器,调零电路,信号预处理基本步骤,脑电信号采集,经过预处理的信号在时域上是连续的，这样的信号称之为模拟信号，放大电路和滤波电路也是模拟电路。而计算机只能处理时间上离散的信号(即离散信号)，所以必须要把模拟信号转换为数字信号，这个工作可以由数膜(A/D)转换器来实现，转换结束后送到计算机中保存待进一步处理。
14、A/D什么时候，对哪一路或哪几路进行转换，转换结束后和送进计算机处理前，要做一些预处理等等，这些工作是通过一个微处理器来实现的,DSP,PC机,A/D转换,脑电信号处理,通常直接从采集系统中测得的脑电信号中都包含有各种伪差。脑电信号的伪差是指记录中出现的除脑电图曲线和标准电压曲线以外的任何不正常现象，其中来自被试者的伪差主要包括心电图，血管波，肌电图，被试者的眼球活动，眨眼，出汗，体动也产生伪差。干扰波在形状上可能会类似病理信号，所以直接根据这些信号来判读脑电存在着巨大的误差。因此，消除伪差对于脑电信号的阅读和分析都具有重要作用。独立分量分析方法己经在脑诱发电位的提取及EEG信号中的伪迹消除中取得了比较理想的结果。,目前对脑电信号进行处理的方法有很多，概括起来主要包括时域分析、频域分析、时频分析、神经网络、非线性动力学等。 通过生物电极直接提取人体脑电信号，经过一系列的放大和滤波处理，实现了脑电信号的实时采集，最后通过对信号的处理，得到所需要的脑电信号。,谢谢,
