靜息電勢和動作電勢

1、1生物電的發(fā)現(xiàn)1791 年意大利解剖學家加伐尼（L.Galvani）偶然發(fā)現(xiàn)，如果將蛙腿的肌肉置于鐵板上再用銅鉤鉤住蛙的脊髓，當銅鉤與鐵板接觸時肌肉就會發(fā)生收縮，他把這種現(xiàn)象歸因于動物電。 伽伐尼（Galvani,L.1737-1798）2生物電勢的產生 實驗證明，在所有用半透膜隔開的兩種或幾種以上的電解液，或電解液相同但濃度不同的膜兩側，都存在著電勢差，這種電勢差稱為跨膜電勢或膜電勢。 生物膜電勢擴散電勢(最基本、最重要)吸附電勢電荷分布電勢氧化還原電勢人體任何細微的活動，都伴隨著生物電的產生和變化生物電是以細胞為單位產生的。3跨膜電位差形成的原因：膜內外各種離子分布不均勻不對稱性；膜對各種

2、離子具有不同的通透性選擇通透性；離子間存在靜電相互作用離子濃度和功能不同。4 磷酸頭（親水性）甘油酯尾（疏水）磷脂分子 細胞膜脂雙層細胞靜息電位當細胞不受外界影響，處于靜息狀態(tài)，其膜內外因離子的濃度差導至產生電勢差。5玻璃微電極實測細胞靜息電位U=-85mv，可見與 氯離子擴散電位-86mv很接近，說明鉀離子濃度膜內外達到了動態(tài)平衡。+cl-K+cl-cl-cl-cl-cl-cl-cl-cl-cl-K+K+K+K+K+K+細胞外K+細胞內擴散擴散NaK泵右圖為細胞內外離子擴散67多離子的擴散電勢其中，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，R是氣體常數(shù)，T是絕對溫度，Z通透常數(shù),D+n、D-k分別表示各種正負離子的通

3、透系數(shù)，c+in、c+on和c-ik、c-ok分別為各種正、負離子在膜內外的摩爾離子濃度。 這就是著名的戈德曼方程（Gokdman-Hadgkin-Katz），簡稱GHK方程。 8細胞的動作電位 細胞受到刺激后的這種短暫的電勢差值，叫做動作電勢，能夠產生這種動作電勢的細胞叫做可興奮細胞。 應用生物器官或組織對外界刺激作出反應，如含羞草的敏感細胞受到刺激后，馬上產生動作電勢，當傳到葉座時，使葉座基部膨壓發(fā)生變化，引起葉柄下垂，小葉關閉。還有大型多核細胞的貍藻，其動作電勢更為顯著。9 實驗發(fā)現(xiàn)，神經與肌肉的細胞膜有改變他們自己對鉀離子和鈉離子通透性的能力。 當細胞受到外來的刺激時，（如電的、化學的

4、或機械的、熱的）只要刺激達到一定的強度，細胞對鈉離子的通透性會突然變大（比原來的通透性要大1000倍以上）。 大量的鈉離子在電場力和濃度梯度的雙重影響下涌入細胞內，使膜內部分帶正電，膜外部分帶負電，這種狀態(tài)稱為去極化。10 大約在0.2ms時間內，細胞膜對鈉離子的通透性大于鉀離子的100倍。膜內正離子增多，進一步加速了膜的去極化，并降低了原有的靜息電位。當膜內外鈉離子的濃度差和電位差的作用相互平衡時，膜的極化發(fā)生了倒轉，從原來有-85mv變成+60mv左右。此后細胞膜又使Na+離子不能通透， 而鈉-鉀泵仍不斷地將膜內的鈉離子逆著濃度差排出膜外，同時在其協(xié)同作用下，使膜外的鉀離子回到了膜內。離子

5、在興奮時的移位，都獲得了恢復，再度達到平衡，維持了-85mv的電位差。 11 內外內 外 內外內 外內 外 極化態(tài)B去極化進行態(tài)C去極化態(tài)D復極化進行態(tài)E復極化態(tài)膜電位的極化，去極化和復極化狀態(tài)12膜電位（mv）+50-100-500動作電位反極化去極化復極化靜息電位t時間（ms）00.51.01.5動作電位的形成膜電位的突然上升與突然下降構成了一個短暫的約具有100150毫伏的電位差，叫做動作電位。上升的幅度與速度主要決定于膜的通透性以及膜內外鈉離子的濃度差和電位差。13 動作電位的傳導動作電位以局部電流的形式傳導 局部電流 14腦電的發(fā)現(xiàn) Richard Caton(1842-1926)是

6、第一位研究腦電活動的人。他是英國的一名醫(yī)生，主要研究兔子和猴子的暴露的大腦半球的電現(xiàn)象。Caton于1875年8月24日報告了他的發(fā)現(xiàn)，他用電流計描記出兔子和猴子的腦電波的震蕩電位，他還描述這樣的現(xiàn)象“當灰質的任何一部分處于功能活動狀態(tài)的時候，其電流通常會出現(xiàn)負的變化”，Richard Caton(1842-1926)15 Beck于1890年曾從動物的大腦描記出連續(xù)的電流，并證明它是與周緣刺激、呼吸和心率無關的自發(fā)性電活動。 德國神經精神病學家 Hans Berger（1873-1941）被認為是人類腦電圖的發(fā)現(xiàn)者。他在1902-1910年間使用毛細管靜電計（capillary electr

7、ometer）研究過狗的腦電活動，首次將腦電命名“elektenkelphalogram”（德文）。Hans Berger（1873-1941）16腦電信號研究意義 腦電信號是大腦神經元突觸后電位的綜合，具有豐富的大腦活動信息，是大腦研究、生理研究、臨床腦疾病診斷的重要手段。17 腦電產生的生理機制及基本分類 神經系統(tǒng)的結構和機能單位是神經細胞，也稱為神經元(neuron)。而大腦皮質中與功能有關的神經元主要是位于皮質層的錐體細胞。18 在人的頭皮表面，我們可以記錄到兩大類腦電活動即自發(fā)腦電圖（Electroencephalogram，簡稱EEG）和與一定刺激相關的腦誘發(fā)電位（Evoked p

8、otentials，簡稱EP）。19 自發(fā)腦電這是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經電活動，其頻率變動范圍在每秒130次之間，可劃分為四個波段，即（13Hz）、（47Hz）、（813Hz）、（1430Hz）。 （這幾種波的頻率邊界，在學界還沒有完全統(tǒng)一的標準。亦有學者認為波小于4Hz，波47Hz，波812Hz，波1335Hz，并認為有大于35Hz的腦電波，并命名為波。長期處于該狀態(tài)下的人會有生命危險）一、“”（阿爾法）腦電波，其頻率為8-12Hz（赫茲）。當你或我的大腦處于完全放松的精神狀態(tài)【空的狀態(tài)】下，或是在心神專注的時候出現(xiàn)的腦電波。、“”（貝塔）腦電波，其頻率為14100Hz。這種腦電波反映的是人

9、類在一種通常的、日常的清醒狀態(tài)下的腦電波情況?！啊保ㄎ魉┠X電波，其頻率4-8Hz。這個階段的腦電波為人的睡眠的初期階段。即當你開始感覺睡意朦朧時介于全醒與全睡之間的過渡區(qū)域你的腦電波就變成以48Hz的速度運動?！保ǖ脿査┠X電波，其頻率為0.5-4Hz。它為人的深度睡眠階段的腦電波。當你完全進入深睡時，你的大腦就以0.54HZ運動，即波。你的呼吸深入、心跳慢、血壓和體溫下降。2021 美國快速學習先驅泰麗&S226；懷勒&S226;韋伯指出：波很快的腦電波“對我們度過白天很有好處，但抑制了我們進入大腦更深層面。在、波類型中可以進入更深的層面，這兩種腦電波以放松、注意力集中和舒適等主觀感受為特

10、征。就是在、波狀態(tài)下，非凡的記憶力、高度專注和不同尋常的創(chuàng)造力都可以取得。”你在快速閱讀訓練中怎樣才能夠取得對人的學習記憶最好的、波狀態(tài)，正是精英特在訓練中要幫助你解決的重要題。22誘發(fā)腦電除自發(fā)腦電波以外，用刺激的方法能夠引起大腦皮層局部區(qū)域電活動。通常是在刺激感覺通道相對的感知部分測到。誘發(fā)腦電的電位很弱，幅度一般在0.1-10uV 范圍。由于皮層隨時會產生自發(fā)腦電 EEG，誘發(fā)電位是出現(xiàn)在自發(fā)腦電波的背景上面。EEG幅度一般在5-200uV范圍，所以誘發(fā)腦電完全被自發(fā)腦電淹沒誘發(fā)電位的提取，需要各種信號處理方法，并用計算機完成。 23EP不同于傳統(tǒng)的EEG。它具有以下三個特性： 1 EP

11、的出現(xiàn)與刺激之間有確定和嚴格的時間關系，即有較穩(wěn)定的潛伏期。 2 某種刺激引起的 EP 有一定的反應形式，不同感覺系統(tǒng)中反應的形式也不相同。 3 由各種感覺刺激引起的 EP，在大腦內具有各自不同的空間分布。 因為EP 是在刺激控制下出現(xiàn)，同時具有上述特性，故它可以提供關于不同感覺系統(tǒng)及相應腦區(qū)的更多信息，是一個較復雜的、有一定規(guī)律的、具有潛伏期、極性、波幅和時程的特定腦電圖形。因此 EP 比 EEG 記錄有較多的數(shù)據(jù)分析的可能，是EEG無法比擬的。 24 基于 EP 上述特性，對誘發(fā)腦電的處理，一般采用疊加技術和平均技術，疊加技術是把多次的刺激波按一定的次序累加起來。平均方法是把累加的結果除以

12、刺激次數(shù)，恢復 EP。兩種方法的本質是在反復給予相同的刺激過程中，使與刺激有固定時間關系的電位活動逐漸增大；而與刺激無固定時間關系的背景電活動在多次運算中能夠相互抵消，逐漸使EP從背景中顯示出來。 25P300 P_(300)(P_3)是一種腦誘發(fā)電位,又稱認識或識別電位,為事件-相關電位(event-related potentials,ERP)的正相晚成分(latepositive component,LPC)。 1965年Sutton等開始發(fā)現(xiàn)腦誘發(fā)電位的這一長潛伏期成份,因它是在有關刺激出現(xiàn)后300ms左右發(fā)生的正相波因而命名P_(300)。 P300電位在ERP中具有特殊意義，大量的

13、臨床研究亦發(fā)現(xiàn)并證實，在認知功能損害的有關疾病中，P300潛伏期和波幅亦發(fā)生相應改變，為有認知功能損害疾病的診斷和評估預后提供了一個重要客觀的輔助手段。 研究發(fā)現(xiàn)P300的波幅與所投入的心理資源量成正相關，其潛伏期隨任務難度增加而變長。26 腦電圖 腦電圖是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動。將腦細胞電活動的電位作為縱軸，時間作為橫軸，這樣把電位與時間的相互關系記錄下來的就是腦電圖。 關于腦電波形成的機制，有很多假說，較多的人認為，皮層表面的電位變化，主要是由神經細胞的突觸后電位形成的。當然單個的細胞的突觸后電位不足以引起皮層表面的電位改變。27將電極按照一定的目的組合起來進行某

14、種形式的記錄稱為一種導聯(lián)(Montage)，常用的有單極導聯(lián)和雙極導聯(lián)。腦電信號預處理28按照國際統(tǒng)一標準，電極的放置有下列幾個基本原則: 1.電極位置應根據(jù)顱骨標志的測量加以確定，測量應盡可能與頭顱的大小及形狀成正比。 2.電極的標準位置應適當?shù)胤植荚陬^顱的所有部位。 3.電極位置的名稱應結合腦部分區(qū)(如額、顳、頂、枕)，這樣可使非專業(yè)人員也能了解。 4.國際通用阿拉伯數(shù)字:左半球為奇數(shù)，右半球為偶數(shù)，零點代表頭顱中位；A1和A2代表左右耳垂(無關電極)。 29人腦放大器濾波器調零電路信號預處理基本步驟30腦電信號采集 經過預處理的信號在時域上是連續(xù)的，這樣的信號稱之為模擬信號，放大電路和濾

15、波電路也是模擬電路。 而計算機只能處理時間上離散的信號(即離散信號)，所以必須要把模擬信號轉換為數(shù)字信號，這個工作可以由數(shù)膜(A/D)轉換器來實現(xiàn)，轉換結束后送到計算機中保存待進一步處理。 A/D什么時候，對哪一路或哪幾路進行轉換，轉換結束后和送進計算機處理前，要做一些預處理等等，這些工作是通過一個微處理器來實現(xiàn)的DSPPC機A/D轉換31腦電信號處理 通常直接從采集系統(tǒng)中測得的腦電信號中都包含有各種偽差。 腦電信號的偽差是指記錄中出現(xiàn)的除腦電圖曲線和標準電壓曲線以外的任何不正?，F(xiàn)象，其中來自被試者的偽差主要包括心電圖，血管波，肌電圖，被試者的眼球活動，眨眼，出汗，體動也產生偽差。 干擾波在形