2.2 脑电波采集方法

借助极端粗陋的设备，在极端恐怖的实验中，人类虽然证实了脑电波的存在，但那只是万里长征的第一步。接下来需要克服的难题还有很多，比如，怎样在没有麻醉且不造成伤害的情况下，在动物大脑内长期植入电极，以此记录清醒大脑的电波情况，或向大脑内注入电脉冲刺激。为此，从1949年起，美国神经科学家里利，在神经生理学家和实验心理学家的协助下，设计了一个多电极阵列，它能够对猫和猴子的大脑皮层表面25个点的电波进行同时取样，以获得当时相对理想的脑电波组，里利称之为“脑电图”，即由若干脑电波并列而成的脑电波曲线图。

里利的做法是，在动物头上按照5×5的阵列，钻出直径小于1毫米的25个微孔，微孔之间的距离约为2毫米；然后，将带有更小孔芯的不锈钢塞子，像塞红酒瓶塞那样，牢牢地卡入颅骨上的微孔；最后，将25根作为电极的特细钢针恰到好处地塞入孔芯中，使得电极顶端刚刚接触到颅骨内的皮层表面，但并不刺破皮层。这25根电极的另一端就好处理了，只需在密封环境下，对电极探测到的微弱电波，进行尽可能无失真的放大和过滤就行了。里利的这种阵列电极思路至今仍被广泛应用，因为它既能获得单点电波，又能获得群体电波（脑电图）；还能对相关电波进行综合处理，以减少各种因素的干扰，得到更准确的结果。

在没有计算机的年代里，里利让人类首次直观地从多个侧面看到了脑电波，包括大脑活动的时间电波和空间电波，甚至看到了脑电图的“全貌”；因为他将无失真放大后的25个电极电流接入25只辉光灯，同时将辉光灯仍按颅骨上微孔的位置排成一个5×5的阵列。于是，随着各个电极中电流的波动变化，辉光灯的亮度也会变化，人们便可像欣赏霓虹灯墙那样，实时观看受试动物的脑电图，并观察动物脑电图如何随着动物的行为和情绪等的变化而变化，比如动物在睡觉、醒来、进食、行走或受到各种惊吓时的脑电图。当然，还可以对电极阵列的输出进行量化处理，比如，可以分析所有辉光灯平均亮度的变化情况，可以记录某个特殊电极的亮度与平均亮度的正负差值等。

总之，里利奠定了脑电图研究的第一块基石，从此以后，脑电图的研究就进入了快车道。比如，至少已有了诱发电压和事件相关电压等两类扩展型应用。这里的诱发电压是将脑电信号按照某种刺激（包括但不限于视觉、听觉、躯体感觉等）的呈现时间进行定时叠加平均所得到的一种电信号，它反映了大脑对该刺激所做简单加工的相关信息，它已在感觉和运动基本功能的研究方面发挥了重要作用。而事件相关电压则是指大脑对刺激进行更复杂加工（如认知等）时，对脑电波进行定时叠加平均所得的电信号，它反映了大脑高级活动的相关信息，已在认知神经科学、认知心理学和心理生理学等研究中发挥了重要作用。

后来，里利再接再厉，他又引入了当时非常先进的高速电影摄像机，将前述的霓虹灯表演连续地记录下来，于是，人们便可以反复比较和研究相关脑电波和脑电图了，而且在慢镜头之下，研究人员更容易发现相关奥秘，揭示相关规律。再后来，里利又将他的电极数从25个增加到了惊人的610个；只可惜，他没有公开这方面的实验结果。

里利在脑电领域树立了一个重要里程碑，因为，若无他发明的多电极阵列，后人就无法弄清大脑回路中的群体神经的真实运作情况，也不会有如今备受追捧的“脑机接口”，更不会有本书的基于宏观脑电图的内涵型A I。后人为了纪念里利的杰出贡献，将采用里利方法获得的脑电波称为“里利波”。

除“里利波”外，里利在脑电图领域内还有其他成就，比如，他在1954年发明了一种至今仍然有用的名叫“感觉隔离舱”的设备，它隔光又隔音，舱内有缓慢流动的温热盐水，且盐水的密度刚好能让受试者悬浮在水中而不下沉，头顶也刚好能露出水面；为了进一步减少外界的感觉刺激，受试者还可头戴面具等。总之，感觉隔离舱的目的就是要尽可能地剥夺受试者的感官，让他处于完全放松的静息环境中，以记录受试者的大脑在冥想状态下的活动情况。毕竟，普通人很难进入冥想状态，因此，其脑电波和脑电图就很容易受到外界干扰。另外，没准儿感觉隔离舱也能帮助你尽快进入冥想或入定状态呢，有特殊兴趣的禅修者不妨试试这个可能的冥想神器，其实，冥想训练就是通过控制呼吸节奏来改变认知状态的，此时脑电波频率也会随之变化。

继里利之后，随着各方面科技水平的整体提高，脑电波（脑电图）的采集技术也在飞速发展。但是，从整体上看，对脑电波的全面而精准的采集仍是当前的瓶颈和关键，若不能突破这个瓶颈，脑机接口就很难得到进一步发展，脑电波和神经系统的许多秘密就不能被揭示，内涵型A I就很难再有突破。

到目前为止，脑电图的采集思路大约可分为以下四大类。

一是非植入式的电极帽。采集时，众多的电极传感器（包括微电传感或微磁传感等）被镶嵌在一个特殊的帽子上，受试者只需戴上该帽子，其上的传感器就能将采集到的相关电信号传入后台的电脑处理系统中。此类采集器在市场上已经多如牛毛，型号和灵敏度等指标也千差万别，但总体上说，其优点是装卸简单、携带方便、成本低廉、易于使用等。其缺点也非常明显。比如，由于头盖骨的隔离，脑电波会严重衰减，因此其灵敏度较低，特别是在对电信号精准度要求较高的情况下（比如，中观的大脑地图绘制、微观的神经元电脉冲检测或意念的精确控制时）就派不上用场了；另一个缺点是容易受到外部环境的干扰，使得所获信号只能是杂波，后期滤波任务非常艰巨。

二是植入式大脑皮层脑电图。采集时必须通过大型的危险外科手术，取出一小块头盖骨，然后将多点阵列的电极芯片植入大脑表面，以代替那块头盖骨。虽然人类的外科手术水平越来越高，多点电极脑电波采集芯片也可以做得越来越小，但在可见的将来，也许没几个正常人胆敢或愿意在自己的头盖骨上镶嵌这样的高科技产品。不过，对某些垂危病人来说，若能保命，或若能摆脱植物人状态而与外界实现意念通信，那么，在头盖骨上打一个小孔甚至取掉一块头盖骨就不在话下了。换句话说，在可预见的将来，所有植入式脑电波采集法可能都主要用于病人。当然，此种脑电波采集法的优点也很明显。比如，外界干扰很小，脑电波的精准度很高，特别是能检测到某些穿透力很弱的高频脑电波；再者，电极一旦植入就可以长期使用，而且还可以多用途使用。另外，植入式电极的双向性，也为今后向大脑中注入合适的微弱电刺激预留了接口，为内涵型A I搭建了脑机接口平台。实际上，如今已有包括某些抑郁症在内的多种大脑疾病患者，已在采取这种植入式电击疗法了。

三是植入式深度电极。这也是一种严重依赖于外科手术的方法，它的优缺点与第二种方法类似，不过，它的主要目的是记录大脑中特定的神经元（或一小群神经元）的电信号。换句话说，此法更偏向于微观和局部的脑电波。

四是功能性磁共振成像，简称fMRI。此法其实并不能直接测量大脑的电活动，而是用来测量与不同精神活动相关的大脑血流变化，然后用它来推测大脑相关区域的兴奋情况；这是因为，脑电波越活跃的区域，脑神经就越兴奋，耗能耗氧就越多，因此血流量就越大，反之亦然。此法的优点非常明显，实际上，fMRI已是当前脑科学研究的主要工具，因为它能比较全面而准确地检测到受试者在被刺激后（包括视觉、听觉和触觉等方面的刺激），其大脑皮层信号的变化情况，从而有助于大脑皮层中枢功能区域的定位和对其他脑功能的深入研究。当然，fMRI的缺点也是有目共睹的：单单是它那极其昂贵的价格，就极大地限制了它的普及和推广；它对脑电波的间接检测既缺乏实时性又不便携带，还具有极高的操作难度，除非是经过严格训练的医生，普通人压根儿就不知该如何操作。

与fMRI类似的，还有脑磁图和近红外光谱仪等间接式非植入脑电图采集设备。其中，脑磁图与脑电图类似，主要区别在于脑磁图通过头皮电极来检测波动电场的磁性成分。由于所有电磁场都具有电和磁两种成分，所以，脑电波也具有磁矢量，而且可以通过磁矢量去反推电矢量，从而最终确定脑电图。至于近红外光谱仪，它可以通过帽子上镶嵌的传感器阵列，检测到大脑神经活动变化引起的血氧含量的改变情况，从而推演出脑电图的变化情况。

另外，如果从电极的设置角度看，脑电图的采集法又可以分为以下三种：

第一种是单极记录法，即在某些非活动区（比如耳垂等处）安放参考电极，然后与放置在大脑皮层各区域上方的记录电极联合记录。此法所记录的是电极所在区域相对于非活动区域的电压波动值，它更接近于脑电的绝对值，可更好地反映脑电图的特征；但是，由于此法的双侧电极结果不对称，无益于比较不同部位的电压变化特点。

第二种是双极记录法，即将同样安置在活动区域的两个电极分别作为记录电极和参考电极，然后比较并记录两者间的相对电压值。该法记录的是电极之间的相对电压差，它可以精确地反映局部的电压变化，不容易受到远处脑电活动的干扰，也不容易受到来自肌肉、心电等其他生理电活动的干扰；但其缺点是，它无法比较不同部位之间的电压差值与关系。

第三种是平均参考法，即采用计算手段，将各个记录电极所得的平均电压作为参考，这近似于在大脑内部的中央附近安置了参考电极。该法的优点是，消除了单极记录的不对称问题，且有利于比较各种实验结果；其缺点是，由于所采用的并不是真实的参考电极，数据将受到各种记录电极数据质量的影响，从而进一步降低了定位的精确性。

总之，快速精准的脑电检测是内涵型A I的基础；没有快速精准的脑电检测，就无法实现意念控制，更无法实现知识的脑际“拷贝”。相关细节将在随后各章中逐一介绍。