醫學

何謂腦波?

腦電波圖是記錄頭殼上某兩點的電位差,人在清醒、壓力大、昏迷等不同狀況時,腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化。

撰文/林三永
審稿/郭博昭(陽明大學腦科學研究所教授)

醫學

何謂腦波?

腦電波圖是記錄頭殼上某兩點的電位差,人在清醒、壓力大、昏迷等不同狀況時,腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化。

撰文/林三永
審稿/郭博昭(陽明大學腦科學研究所教授)

  人類的大腦裡,有許多神經細胞日復一日不斷活動;細胞活動會發出電磁波,如果用科學儀器偵測腦的電位活動,在螢幕上看起來就像海浪波動一樣,所以我們叫它「腦波」。簡單地說,腦波和大腦的意識有某種程度上的對應關係,就像是腦細胞活動的節奏。


大腦皮質的各功能區。其中,額葉主要與推理、計畫、某些語言、運動、情緒等有關;頂葉與觸覺、壓力、溫度及疼痛相關;顳葉和知覺、聽覺刺激辨識及記憶相關;枕葉與視覺有關。(電腦繪圖:姚裕評)


腦波的發現


  腦波研究開端於19世紀末,當時德國生理學家柏格(Hans Berger)觀察到電鰻身上發出電波,讓他猜測人類身上也會有相同的現象;英國生理學家柯頓(Richard Cotton)從兔子的大腦皮質表面也記錄到一種電波,和呼吸、心跳都無關,但會隨著動物被麻醉而產生變化,動物死亡後就消失。

  1929年,柏格首次在人類的頭蓋骨上記錄到相同的電波活動,他記錄、測量了人腦中微小的放電過程,這是人類史上第一次發表腦波記錄,命名為「腦電波圖」(electroencephalogram,簡稱EEG、腦電圖)。由於腦波和人類的意識活動有關係,許多研究者都很感興趣,在醫學領域的應用也隨之而生。例如研究憂鬱症、阿茲海默症患者睡眠時的腦波,可針對患者進行長期記錄,以了解其和未患病者的腦波有何不同,進而研究病理和病因。


腦波就是大腦中「電氣性的變動」,上方的貼片就是偵測腦波的點。(電腦繪圖:姚裕評)


腦波的種類


  腦電波圖是記錄頭殼上,某兩點電位差隨時間的變化圖,通常以微伏(百萬分之一伏特)為單位。電位差的產生與細胞膜電位有關,所有細胞膜的兩側均有電位差,這是因為細胞內多出來的負離子會和細胞外的正離子相吸,於細胞膜的內外兩層形成電位,例如神經細胞的膜電位一般在-40~ -90mV之間(細胞內的電位相對於細胞外的電位)。腦波圖記錄到的電位差,是大腦皮質靠近表層處成千上萬個神經細胞集體所造成。


細胞膜的兩面有一電位差,細胞內多出來的負離子會與細胞外的正離子相吸,於細胞膜的內外兩層形成電位。(電腦繪圖:姚裕評)


  人在張眼、閉眼、清醒或昏迷狀態下,腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化,約在1~40Hz之間,國際腦波學會(International Organization of Societies for Electrophysiological Technology)依照不同的頻率,將腦波分為α、β、δ、θ波。當人專注於思考、推理,或是壓力大、心情緊張、不自在、憂慮等,容易測到β波(12~38Hz),β波頻率最高,是「意識」層面的腦波。在專注力下降、放鬆、神遊四方、放空、心不在焉、閉上眼睛後,會測到α波(8~12Hz),α波可以說是「意識與潛意識」之間的橋樑。一旦進入睡眠時,腦電波會變成低頻波θ波(4~8Hz)與δ波(0.5~4Hz),θ波是「潛意識」的波,例如記憶、知覺、情緒、態度、信念、夢境或冥想等;δ波是「無意識」的層面,在恢復體力的睡眠時需要。α、β、δ、θ波的組合型態可反應人體行為及學習上的表現。


α、β、δ、θ波 整理圖表(電腦繪圖:姚裕評)



測量腦部活動


  20世紀初,測量腦波採取「侵入式」方法,將訊號接收器直接植入大腦的灰質,獲取強度較高的神經電流信號。然而這樣會傷害身體組織,甚至引發免疫反應,測量時也可能因為接收器在人體內被干擾,導致信號強度衰退,甚至消失。

  現行量測腦部活動的方式可以分為四種,一是前面提過的,測量電位差的腦電圖(EEG),另一種是「腦磁圖」(magneto encephalon graphic, MEG),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就是腦磁圖。

  此外,還有「功能性磁振造影」(functional magnetic resonance imaging, fMRI),它是一種神經影像技術。因為腦神經活動需要耗能,此時血氧含量會提高,透過量測腦中的血氧含量,可以推斷當時的腦部活動,進而觀察受試者從事不同活動時,各腦區的生理活性變化。第四種是正子斷層造影(positron emission tomography, PET),這是近幾年來發展快、靈敏度高的影像診斷技術,PET以帶有特殊標記的放射性葡萄糖合成藥劑注入受檢者體內,透過儀器測量腦內不同部位葡萄糖的消耗速率,再推斷當時的腦部活動反應。

  中央研究院語言所特聘研究員曾志朗指出,上述方法中,EEG是比較常用的檢測方式,它是唯一不需要固定頭部或身體的檢測方式,感應器小、檢測不痛、數據準確,其他三種方式所需的儀器都很巨大、價格也貴。交通大學腦科學中心博士生陳世安說,在EEG技術中,腦神經細胞活動傳出的腦波,穿出腦殼後大小約只剩10微伏特(一微伏特為百萬分之一伏特),因此須用很精密的儀器才能測量,其中人體疲勞時放出的α波、專注時放出的β、θ波常被拿來當做量測的指標。


四種非侵入式腦波測量方式中,EEG是唯一不需要固定頭或身體的檢測方式,使用的感應器也比較小。(影像來源:陽明大學腦科學研究所教授 陳麗芬)







延伸閱讀

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〈當腦造影成為呈堂證供〉,葛詹尼加(Michael S. Gazzaniga)撰文,《科學人》2011年7月號

《醫學影像技術學》,余建明著,合記圖書出版社

《睡眠的迷人世界》,Peretz Lavie著,潘震澤譯,遠流出版社

高中選修科目《生物》