脑电图（EEG），自1924年诞生以来，历经早期科学家的偶然发现至学院派的系统研究，短短百年间，已成为神经科学领域不可或缺的研究工具。与后来兴起的各种神经影像技术相比，EEG似乎失去了往日的风光，但在神经科学的历史舞台上，脑电图一直占据着重要位置。它至今仍然是时间维度最准确的大脑信号记录手段之一。今年正好是脑电图诞生100周年，在此之际，与我们一同追溯这一技术的发展轨迹，探索其过往与未来。

脑电图是什么

脑电图与心电图，肌电图一样，是一种非侵入性记录大脑电信号活动的方法。如下图所示，在一次脑电图测量中，电极传感器将连接到头皮表面，将神经细胞的同步活动传导到计算机里，用来反应细胞外的电流。值得注意的是，脑电图主要反映了与脑电极接近的皮层神经元的活动，深部结构如海马、丘脑或脑干并不直接对脑电图产生影响。

▷脑电装置。图源：mayoclinic

脑电图使人们能够发现各种频率的脑波，并且可以用来评估不同形式的睡眠和癫痫病症。正常人类脑电图的活动主要在1至30赫兹的范围内，主要分为α波（8-13赫兹）、β波（13-30赫兹）、δ波（0.5-4赫兹）和θ波（4-7赫兹）。

α波：它是放松清醒状态的典型特征，最突出的区域是顶叶和枕叶，例如，在大脑放空或冥想状态下，大脑会进入α波。β波：在强烈的神经活动期间，较低振幅的β波更突出，主要出现在额叶区域和其他区域，被认为是工作记忆、逻辑思考时的标志。θ波和δ波：它们在昏昏欲睡和早期睡眠期间中存在，如果在清醒状态下出现这些波，则是脑功能障碍的迹象。

▷脑电波各种波形。图源：infoinstruments

1924年的诞生

早在1755年，意大利科学家路易吉·伽尔瓦尼（Luigi Galvani）、亚历山德罗·伏尔塔（Alessandro Volta）、乔治·欧姆（Georg Ohm）和迈克尔·法拉第（Michael Faraday）证明了生物组织具有显著的电学性质。

1870年，古斯塔夫·泰奥多·弗里奇（Gustav theodor Fritsch）在狗的大脑上进行了研究，发表了题为《关于大脑电刺激性》（On the electrival excitability of the brain）的文章。他在狗的大脑中发现了裸露大脑半球的电刺激性，得出了大脑部分区域具有运动功能的结论。但是，他的研究受到了学界的极大怀疑，当时的主流观点是电流是在大脑深处产生的，而不是通过皮层的作用。

1913年，前苏联生理学家普拉夫维奇-涅明斯基（Prawdwicz-Neminski）从一只狗身上记录了EEG。由于当时的电极电学变化非常小并且缺乏放大程序，实验只能在暴露的大脑上进行。普拉夫维奇-涅明斯基第一次描述了在正常条件下的12到14赫兹的节律，并创造了“脑电图”这一术语。

▷普拉夫维奇-涅明斯基（Prawdwicz-Neminski）。图源：The Brainclinics Foundation / YouTube

将脑电图真正带入科学界的是德国精神病学家汉斯·伯格（Hans Berger）。伯格的EEG研究源于对妹妹的心灵感应的兴趣。1893年，19岁的伯格在德国军队的演习中从马上摔下来，几乎被马踩到。就在同一天，远方的妹妹对伯格产生了不祥的预感。她说服父亲发了一封电报，问汉斯一切是否安好。对于年轻的伯格来说，这种诡异的同时性不是巧合，而是一种“自发的心灵感应”。伯格确信他已经向妹妹传递了自己的恐惧思绪，因此，他决定学习精神病学，试图揭示思想如何在人与人之间传递的奥秘。这场阴差阳错的事故让伯格对现代医学和科学做出了重要贡献：他发明了脑电图，第一次系统性地对人脑进行脑电图记录。

▷汉斯·伯格（Hans Berger），图源：sciencenews

1924年7月，一名17岁的男孩接受了神经外科手术，由于头部受伤，男孩的大脑部分暴露在外。在这个意外的机会下，汉斯·伯格医生通过受伤的大脑骨窗，记录了他的脑电图。在此之后，伯格开始尝试通过头皮记录脑电图，被记录的第一名志愿者便是他的儿子。他使用的是一个简易的单通道仪器，尽管记录时间短暂，仅1至3分钟，但他成功描绘了a节律和β活动，并确定了正常的枕叶背景节律以及更快频率的β波，这象征着EEG的正式诞生。汉斯前前后后积累了76名患者的1133次记录。可惜的是，尽管他发表了14篇科学报告，但因为论文是用德语写的，伯格在当时并没有得到应有的荣誉。

在对人类脑电图的研究中，伯格始终紧跟技术的最新进展，从最初的爱因斯坦型号，到埃德尔曼，再到功能更为强大的西门子型号，他不断尝试使用不同的设备记录脑电图。1929年，他利用这台西门子仪器，记录了他首次报告中显示的人类脑电图示迹。

▷汉斯发表的第一个人脑电图结果。图源：sciencenews

到了1934年，英国科学家埃德加·阿德里安勋爵（Lord Edgar Adrian）和布莱恩·马修（Brian Mattews）在剑桥生理学会的一次公开演示之后，验证了伯格的研究——“伯格节律”（Berger Rhythm），并发表在Brain杂志上。借助安德里安和马修的技术改进，伯格继续他的研究，发现当受试者睁开眼睛或者正在思考解决问题时，大脑广泛且规律的节律会发生改变。

在整个1930年代，伯格继续研究人类脑电图，并发表了好几篇报告，其中包含一些珍贵的发现，比如意识波动的研究、睡眠纺锤波（sleep spindle）的脑电图，缺氧对人脑的影响，各种弥漫性和局部性脑疾病，甚至还有癫痫放电的一些迹象等等。

可惜的是，这位伟大的科学家后来的故事走向了黑暗。在第二次世界大战爆发前，他被赶出了德国耶拿大学的研究职位，并被迫在一家养老院从事非研究性工作。他相信自己患有致命的心脏病，并且患有感染和抑郁症，最终于1941年自杀身亡。现在科学界一致认为伯格值得一个诺贝尔生理学奖，只可惜1942和1947年被提名时，这位脑电图的奠基人早已离开了人世。

从欧洲到北美

1935年左右，新兴的脑电图科学的重心开始从欧洲转移到北美，引领这一变迁的是一群从欧洲横跨大西洋而来的研究人员。

在这个新的舞台上，美国的脑电图科学迅速获得了国际声誉，最值得一提的是哈佛大学的霍洛韦尔·戴维斯（Hallowell Davis）、弗雷德里克·A·吉布斯（Frederic A. Gibbs）和厄尔娜·L·吉布斯（Erna L. Gibbs）以及布朗大学的赫伯特·H·贾斯珀（Herbert H. Jasper）的研究。

戴维斯的研究生A·J·德比希尔（A. J. Derbyshire）深受伯格1929年的论文启发，一直在试图证明α节律的存在，然而屡次尝试均以失败告终。直到1934年，戴维斯亲自记录到自己的α节律，实验室内一片欢呼雀跃。

▷A·J·德比希尔 (左) 、霍洛韦尔·戴维斯与早期的EEG设备。图源：oto.wustl.edu

同年，临床脑电图学的突破发生在癫痫患者的研究中。弗雷德里克·A·吉布斯找到了当时一位广为人知的癫痫学家威廉·G·莱诺克斯（William G. Lennox）。莱诺克斯已经开始通过测量颈静脉血液中的氧气和二氧化碳含量来研究大脑循环。来自德国的移民厄尔娜·L·吉布斯是莱诺克斯的技术合作者，并成为他的妻子。吉布斯自学成才，成为世界上最早的脑电图技术员之一，并在许多重要的研究论文中担任合作者，包括研究大脑血流这一领域的里程碑研究等。

在随后的几年中，脑电图开始比大脑血流更受到莱诺克斯的关注。其中值得一提的是，莱诺克斯、吉布斯、戴维斯的另一项合作。他们在12名癫痫儿童上描述了3Hz的尖波复合体与癫痫性失神（petit mal absences）的关联性，现在这一发现已经成为了脑电图领域的常规检测手段。

▷1937 年，威廉·G·莱诺克斯、厄尔娜·L·吉布斯和弗雷德里克·A·吉布斯在纸卷上检查脑电图。

与着迷于振荡节律的伯格不同，弗雷德里克·吉布斯对突发性脑电图模式（paroxysmal EEG patterns）（比如尖波）更感兴趣。接着，吉布斯、莱诺克斯和吉布斯报告了癫痫大发作（grand mal）和精神运动性癫痫的脑电图模式，但大发作中的快速尖波区间和精神运动性癫痫中的4或6Hz节律活动，并没有像失神性癫痫中的3Hz尖波那样受到关注。

与此同时，他们也意识到了脑电图示迹技术的局限性。因此，在1935年的夏天，吉布斯夫妇访问了德国的伯格，并在柏林布赫研究所学习了滕尼斯（J. F. Toennies）的“多神经图仪器”。到了欧洲以后，他们还见到了英格兰马修斯的仪器。弗雷德里克·吉布斯随后联系了麻省理工学院的阿尔伯特·格拉斯（Albert Grass），请他制造了一台三通道前置放大器，结果产生了格拉斯I型EEG。这台仪器有三个通道和一个油墨写字器，示迹记录在纸卷上。格拉斯I型于1935年投入使用，标志着商业脑电图的时代已经开始。

现在回看历史，1930年代的吉布斯-吉布斯-莱诺克斯时代被证明是脑电图历史上最激动人心和最富生产力的时期之一。在那些年里，脑电图在癫痫性发作障碍领域发挥了最大的效用。

▷格拉斯脑电仪型号 8-10C。图源：Niall Williams

在20世纪30年代的临床脑电图研究领域中，另一位值得一提的先锋是威廉•格雷•沃尔特（William Grey Walter）。沃尔特在1936年的工作使他成为了临床脑电图的开创人。当时，他首次将EEG应用于脑肿瘤的诊断，并在手术中监测麻醉效果。沃尔特确定了慢脑电活动中的δ波和θ波，并引入了第一种自动分析脑生物电信号的方法。

▷威廉•格雷•沃尔特（左），图源：Wikipedia

从1960年起，脑电图不仅在临床上被用来研究和诊断癫痫和占位性病变，还在许多其他领域也成为一种有用的诊断和预后测试。与此同时，脑电图还有助于定义和标准化各种睡眠阶段，并为睡眠障碍的研究提供了有用的信息。

然而，在第二次世界大战期间（1939年-1945年），研究和临床脑电图活动受到了限制，特别是在欧洲。战后，北美与欧洲之间的鸿沟前所未有地加大，欧洲的脑电图研究处于低谷。与此同时，大洋彼岸的弗雷德里克·吉布斯和他的同事在患有精神运动性癫痫的患者间发作间隙期间，又进行了一项关于前颞叶尖波放电的重要研究，这项研究是阐明颞叶癫痫病机理的一项重要工作，对整个脑电图实验的发展具有深远影响。

尽管吉布斯在国际上享有极高的声誉，并被认为是临床脑电图领域的领导者，但他在哈佛的职位却与其声望不符。他担任的仅仅是讲师，地位和薪水远低于教授——尽管许多欧洲同行都希望能够访问他的实验室。

脑电图在临床上的普及

在1950年代，脑电图成为了“家喻户晓”的名词。在这个十年的早期阶段，几乎每个学术性的三级医疗中心都拥有至少一台脑电图机。到了这个十年的末尾，脑电图设备更是普及到许多较小的医院甚至私人诊所。大学医院里也建立了中央以及各个部门的脑电图实验室，后来儿科脑电图也逐渐发展起来。

一些精神病科部门对自己的临床和研究导向的脑电图工作感到特别自豪，那时医生们已经清楚地认识到，许多影响中枢神经系统的疾病都能在脑电图上找到或多或少的对应迹象。

一些研究以癫痫为导向的神经外科医生，如怀尔德·潘菲尔德（Wilder G. Penfield）或阿瑟·厄尔·沃克（A. Earl Walker），开始对脑电图及其在大脑皮层或皮质深部的使用感兴趣。在20世纪50年代末，迈耶斯（Meyers）和海因（Hayne）以及诺特（Knott）等人首次在人体中使用植入式颅内电极进行深度脑电图检查，在20世纪60年代，深度脑电图在难治性癫痫患者的手术中找到了最佳应用场景。

在经历了30年后，临床和实验性脑电图研究的迅速持续发展在1960年左右达到了高峰，随后研究活动开始放缓。学术机构中的脑电图专家对示踪图表和脑波模式的兴趣开始转向自动数据分析。特别是，库利和图基（Cooley and Tukey）在1965年引入了快速傅里叶变换，以提取信号的谱或频率内容，作为功率谱分析的基础。通过他们的工作，脑电图的计算机化达到了新的标准，为我们今天熟知的定量脑电图（qEEG）铺平了道路。

20世纪70年代和80年代，随着计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等结构神经影像技术的出现，脑电图在诊断结构性脑异常方面的地位似乎受到了挑战。但这种替代似乎更多是表面上的，因为脑电图本质上从未是一项面向结构的测试，而是唯一能提供大规模、新皮质动态功能实时测量的诊断工具。

后来，局部脑电图诊断（Topical EEG diagnosis）以计算机化脑功能定位的形式让EEG再次回归大众视野，这一发展与弗兰克·达菲（Frank Duffy）这个名字密切相关，他的著作《临床脑电图和拓扑大脑定位》（Clinical Electroencephalography and Topographic Brain Mapping）为脑电图技术注入了新的活力，实现了“新瓶装旧酒”的创新。

展望与结语

如今，脑电图在临床上和科研上都用来进一步阐述大脑功能，其发展方向可以归结为“空间上尺度更小，时间上更加精确”。在当代脑科学研究中，通过脑电图研究人类的注意力、意识、语言和决策过程，研究者希望通过解析脑波的动态特征来深入理解大脑的运作方式。

在临床上，除了传统的癫痫、睡眠研究，人们还希望进一步在脑电图的踪迹中找寻神经系统疾病的线索，比如通过脑电图生物标志物和AI的结合，来进行疾病的早期检测、诊断和治疗监测等等。此外，脑机接口技术的发展使得脑电图得到了新的应用，如辅助重度残疾人士进行交流，或帮助瘫痪患者通过假肢恢复运动功能。

脑电图在下一个百年之后会怎样？我们无从得知，但如果有一天脑电图记录能像运动手表记录心率脉搏一样便捷的话，它的应用领域将会被大大拓展。届时，它将跨越科研与临床，成为每个人日常生活中的一部分。