脑电图（EEG）
脑电图（EEG）是一种可测量大脑活动的非侵入性技术。神经活动会产生电信号，这些信号由放置在头皮上的EEG电极记录。当个体执行认知任务时，大脑活动会发生变化，这些变化可在EEG图中被记录下来。因此，EEG是认知科学家研究认知不同方面相关神经机制的有力工具，最终有助于为认知功能障碍患者设计更有效的治疗方…
脑电图（EEG）是一种电生理技术，常被研究认知功能的科研人员所采用。大脑持续产生电活动，这种活动可以是自发的，也可以由外界刺激诱发。EEG是一种无创、便携且经济的技术，能够检测并量化大脑活动的变化，因此在认知研究中尤为有用。在本视频中，我们将简要介绍EEG信号的产生机制、EEG在认知研究中的应用、标准的EEG记录方法以及一些具体的应用实例。
首先，让我们了解脑电图（EEG）信号的产生位置和机制。
脑电图信号是通过放置在头皮上的电极记录到的大脑表面的电活动，主要由大脑最外层——大脑皮层中的锥体神经元激活产生。这些锥体神经元是皮层的主要输出神经元，接收并整合来自大脑其他区域的突触输入，其集体活动反映了信息处理过程。
值得注意的是，兴奋过程会促使带正电荷的离子穿过细胞膜进入神经元，在树突区域形成电流“汇”（sink），而细胞体周围电荷的外流则起到中和作用，形成电流“源”（source）。这一过程使神经元处于“电偶极子”状态，产生电位，并在顶树突与细胞体之间形成电流流动。电极所捕捉到的信号，正是大量此类“神经电偶极子”同步活动所产生的电位总和。
现在您已经熟悉了脑电图（EEG）信号背后的生理学原理，接下来让我们探讨这些信号如何揭示认知功能。
正常的脑电图表现出自发振荡。这种节律性活动由多种重叠的子节律组成，可通过数学变换（如傅里叶变换）将其分离出来。利用该技术，脑电信号的时间序列被分解为各个组成子节律，并以“功率谱”的形式绘出。每个子节律根据其频率，按照在总脑电记录中的“集中度”或信号功率进行绘制。
脑节律的频率范围如下：Delta波（δ波），频率最慢，低于4 Hz；Theta波（θ波），频率为4–7 Hz；Alpha波（α波），频率为8–12 Hz；Beta波（β波），频率为13–30 Hz；以及频率最快的Gamma波（γ波），高于30 Hz。每种节律均与特定的行为状态相关：Delta波和Theta波出现在睡眠状态，Alpha波出现在清醒且放松的状态，而Beta波和Gamma波则在主动认知过程中出现。
通过检测脑电活动的变化，可研究大脑在执行认知任务时对刺激的反应。例如，在一项认知实验中，受试者可能被要求在计算机屏幕上观察人脸并进行区分。该测试会重复多次。随后，将脑电响应与视觉刺激的起始时间对齐并进行平均处理，从而提高信号相对于背景噪声的水平。由特定刺激诱发的平均脑电活动被称为事件相关电位（event-related potential, ERP）。
ERP图中的峰值对应于协调的神经活动。其中，较早出现的峰值反映视觉系统的直接响应，而稍后出现的同步神经活动峰值则与对刺激的认知加工过程相关。
现在您已经了解了脑电图（EEG）如何用于研究认知功能，接下来我们来看看一个EEG实验是如何进行的。
EEG实验要求仅采集有意义的信号，因为真实的皮层电位非常微弱。为了捕捉这些信号，EEG电极采用高导电性材料（如银和氯化银）制成，并按照标准化的10-20系统排列在电极帽上。该系统通过确保电极位置的一致性，使实验在不同时间点和不同受试者之间具有可重复性。电极根据已确定的皮层区域和半球位置进行命名，并按照头颅前后或左右总距离的10%或20%进行系统性分布。
使用电解质凝胶可增强电极的导电性。活动信号相对于参考电极进行放大，同时系统接地以减少噪声。此外，信号会经过滤波处理，仅保留处于EEG频率范围内的成分。由身体运动（如眨眼）引起的伪迹通常会被监测并从数据中去除。
实验开始前，向参与者说明实验流程并获取书面知情同意。测量受试者的头围，选择合适尺寸的电极帽。根据10-20系统标记并遵循电极帽的定位标志点。随后，将导电凝胶注入每个电极套管内，在头皮上形成凝胶柱，用量恰到好处，以避免相邻电极之间的干扰。然后将活动电极固定到套管中。受试者被安置至实验位置，并被提醒尽量减少不必要的动作。最后，检查EEG显示界面，确保所有设备正常运行。
现在您已经了解了进行脑电图（EEG）实验的基本方法，接下来让我们探讨该技术在认知研究中的一些具体应用。
脑电图被用于研究成人和婴儿的社会认知。在此实验中，以婴儿为受试者进行面对面的木偶演示，以测试其即时回忆与模仿能力。从整个头皮采集的数据显示出在不同实验时间点脑电活动的差异。
功能性磁共振成像（fMRI）是另一种可测量脑活动的非侵入性技术。fMRI对激活位置的敏感性可与EEG对激活时间的敏感性相结合。这两种技术联合使用，能够在更高水平上实现功能定位，从而帮助理解睡眠、意识、情绪、学习和记忆等认知过程。
最后，脑电图还可与经颅直流电刺激（tDCS）结合使用，tDCS是一种可通过调节神经元兴奋性来刺激大脑的技术。tDCS在治疗影响认知能力的神经系统疾病方面具有潜力，而EEG可用于监测并优化直接刺激的效果。通过运行自动快速傅里叶变换的软件程序，可实时观察脑电功率谱的变化。
您刚刚观看了 JoVE 关于脑电图（EEG）的视频。该视频讨论了 EEG 信号的产生原理、如何利用这一技术来理解认知过程、进行 EEG 实验的基本步骤，以及在认知研究中的一些具体应用。一如既往，感谢您的观看！
脑电图（EEG）是一种电生理技术，常被研究认知功能的科研人员所采用。大脑持续产生电活动，这种活动可以是自发的，也可以由外界刺激诱发。EEG是一种无创、便携且经济的技术，能够检测并量化大脑活动的变化，因此在认知研究中尤为有用。在本视频中，我们将简要介绍EEG信号的产生机制、EEG在认知研究中的应用、标准的EEG记录方法以及一些具体的应用实例。
首先，让我们了解脑电图（EEG）信号的产生位置和机制。
脑电图信号是通过放置在头皮上的电极记录到的大脑表面的电活动，主要由大脑最外层——大脑皮层中的锥体神经元激活产生。这些锥体神经元是皮层的主要输出神经元，接收并整合来自大脑其他区域的突触输入，其集体活动反映了信息处理过程。
值得注意的是，兴奋过程会促使带正电荷的离子穿过细胞膜进入神经元，在树突区域形成电流“汇”（sink），而细胞体周围电荷的外流则起到中和作用，形成电流“源”（source）。这一过程使神经元处于“电偶极子”状态，产生电位，并在顶树突与细胞体之间形成电流流动。电极所捕捉到的信号，正是大量此类“神经电偶极子”同步活动所产生的电位总和。
现在您已经熟悉了脑电图（EEG）信号背后的生理学原理，接下来让我们探讨这些信号如何揭示认知功能。
正常的脑电图表现出自发振荡。这种节律性活动由多种重叠的子节律组成，可通过数学变换（如傅里叶变换）将其分离出来。利用该技术，脑电信号的时间序列被分解为各个组成子节律，并以“功率谱”的形式绘出。每个子节律根据其频率，按照在总脑电记录中的“集中度”或信号功率进行绘制。
脑节律的频率范围如下：Delta波（δ波），频率最慢，低于4 Hz；Theta波（θ波），频率为4–7 Hz；Alpha波（α波），频率为8–12 Hz；Beta波（β波），频率为13–30 Hz；以及频率最快的Gamma波（γ波），高于30 Hz。每种节律均与特定的行为状态相关：Delta波和Theta波出现在睡眠状态，Alpha波出现在清醒且放松的状态，而Beta波和Gamma波则在主动认知过程中出现。
通过检测脑电活动的变化，可研究大脑在执行认知任务时对刺激的反应。例如，在一项认知实验中，受试者可能被要求在计算机屏幕上观察人脸并进行区分。该测试会重复多次。随后，将脑电响应与视觉刺激的起始时间对齐并进行平均处理，从而提高信号相对于背景噪声的水平。由特定刺激诱发的平均脑电活动被称为事件相关电位（event-related potential, ERP）。
ERP图中的峰值对应于协调的神经活动。其中，较早出现的峰值反映视觉系统的直接响应，而稍后出现的同步神经活动峰值则与对刺激的认知加工过程相关。
现在您已经了解了脑电图（EEG）如何用于研究认知功能，接下来我们来看看一个EEG实验是如何进行的。
EEG实验要求仅采集有意义的信号，因为真实的皮层电位非常微弱。为了捕捉这些信号，EEG电极采用高导电性材料（如银和氯化银）制成，并按照标准化的10-20系统排列在电极帽上。该系统通过确保电极位置的一致性，使实验在不同时间点和不同受试者之间具有可重复性。电极根据已确定的皮层区域和半球位置进行命名，并按照头颅前后或左右总距离的10%或20%进行系统性分布。
使用电解质凝胶可增强电极的导电性。活动信号相对于参考电极进行放大，同时系统接地以减少噪声。此外，信号会经过滤波处理，仅保留处于EEG频率范围内的成分。由身体运动（如眨眼）引起的伪迹通常会被监测并从数据中去除。
实验开始前，向参与者说明实验流程并获取书面知情同意。测量受试者的头围，选择合适尺寸的电极帽。根据10-20系统标记并遵循电极帽的定位标志点。随后，将导电凝胶注入每个电极套管内，在头皮上形成凝胶柱，用量恰到好处，以避免相邻电极之间的干扰。然后将活动电极固定到套管中。受试者被安置至实验位置，并被提醒尽量减少不必要的动作。最后，检查EEG显示界面，确保所有设备正常运行。
现在您已经了解了进行脑电图（EEG）实验的基本方法，接下来让我们探讨该技术在认知研究中的一些具体应用。
脑电图被用于研究成人和婴儿的社会认知。在此实验中，以婴儿为受试者进行面对面的木偶演示，以测试其即时回忆与模仿能力。从整个头皮采集的数据显示出在不同实验时间点脑电活动的差异。
功能性磁共振成像（fMRI）是另一种可测量脑活动的非侵入性技术。fMRI对激活位置的敏感性可与EEG对激活时间的敏感性相结合。这两种技术联合使用，能够在更高水平上实现功能定位，从而帮助理解睡眠、意识、情绪、学习和记忆等认知过程。
最后，脑电图还可与经颅直流电刺激（tDCS）结合使用，tDCS是一种可通过调节神经元兴奋性来刺激大脑的技术。tDCS在治疗影响认知能力的神经系统疾病方面具有潜力，而EEG可用于监测并优化直接刺激的效果。通过运行自动快速傅里叶变换的软件程序，可实时观察脑电功率谱的变化。
您刚刚观看了 JoVE 关于脑电图（EEG）的视频。该视频讨论了 EEG 信号的产生原理、如何利用这一技术来理解认知过程、进行 EEG 实验的基本步骤，以及在认知研究中的一些具体应用。一如既往，感谢您的观看！
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Q1: How are EEG signals generated in the brain?
EEG signals originate from the cerebral cortex, the brain's outermost layer, primarily through activated pyramidal neurons. These neurons receive synaptic inputs and generate electrical activity as ions move across their membranes, creating dipoles. Electrodes on the scalp capture the combined electrical potentials from many synchronized neural dipoles, producing the measurable EEG signal.
Q2: What do different EEG frequency bands tell us about brain states?
EEG frequency bands correlate with specific behavioral states. Delta and Theta waves appear during sleep, Alpha waves occur when awake and relaxed, and Beta and Gamma waves emerge during active cognition. Using mathematical transformations like the Fourier transform, researchers decompose EEG signals into these frequency components to understand what cognitive processes the brain is performing.
Q3: What is an event-related potential and how is it measured?
An event-related potential (ERP) is the mean EEG activity evoked by a specific stimulus during cognitive tasks. Researchers time-lock EEG responses to stimulus onset and average multiple trials to raise signal levels above background noise. Peaks in the ERP graph represent coordinated neural activity, with earlier peaks reflecting direct sensory responses and later peaks indicating cognitive processing of the stimulus.
Q4: Why is the 10-20 placement system important for EEG experiments?
The 10-20 placement system standardizes electrode positioning on the scalp according to identified cortical areas and hemisphere locations, separated systematically within 10% or 20% of skull distance. This consistency ensures reproducible results across different subjects and time points, allowing researchers to compare EEG data reliably and identify meaningful differences in brain activity patterns.
Q5: How does EEG improve when combined with other neuroimaging techniques?
EEG's high temporal sensitivity to activation timing complements functional magnetic resonance imaging (fMRI), which offers superior spatial localization. Together, these techniques enable functional mapping at higher resolution to understand cognitive processes like sleep, consciousness, emotion, learning, and memory with both precise timing and location information.
Q6: What preparations are necessary before conducting an EEG experiment?
Before EEG recording, researchers explain procedures and obtain written consent. The subject's head circumference is measured to select the correct electrode cap size. Landmarks are marked according to the 10-20 system, conductive gel is applied to each electrode, and the subject is positioned and reminded to minimize unnecessary movements to reduce motion artifacts.
Q7: How can EEG be used to study social cognition in infants?
Researchers use EEG to measure brain activity during face-to-face puppet demonstrations with infants to test immediate recall and imitation. Data collected from the entire scalp reveal differences in EEG activity at various experimental time-points, providing insights into how infants process social information and develop social cognitive abilities.