腦電圖

腦電圖（粵拼：nou5din6tou4；英文：electroencephalography，簡稱EEG）係神經科學同心理學等領域上其中一種最常用嚟監察腦嘅活動嘅方法。原理簡單啲講係噉嘅：一個腦喺做親啲乜－包括記嘢、諗嘢同感知等等－嗰陣，佢裏面嗰啲數以億計嘅神經細胞（neuron）都會係噉用好微弱嘅電流嚟互相傳訊號，電流改變會引致電壓嘅改變（可以睇吓古典電磁學），而唔同嘅腦活動所牽涉到嘅資訊都唔同－所以當一個腦喺做唔同嘅工作嗰時，佢入面嗰啲電流同電壓改變嘅規律都會唔同樣。
腦電圖對科學研究嚟講相當有用：研究者可以用非入侵性嘅做法，將一啲電極黐喺個受試者嘅頭皮表面嗰度，靠噉嚟量度吓塊頭皮嗰度有嘅微弱電壓－微弱到通常以微伏特（μV；1 μV 相當於 10伏特）嚟計嘅，亦都可以用入侵性嘅手法－通常係開刀，將啲電極植入去個受試者嘅頭殼入面嚟度電壓改變，後者呢種做法喺用人類以外嘅動物做測試嘅研究當中比較常見。無論用咗邊種做法，呢啲電極嘅量度會得出一大柞Vlt{\displaystyle V_{lt}}值，當中Vlt{\displaystyle V_{lt}}指「位置l{\displaystyle l}喺時間點t{\displaystyle t}嘅電壓」，呢啲數據會提供一幅腦電圖：一幅腦電圖條X 軸係時間，而Y 軸係微電壓，會俾研究者清楚睇到個頭每一個量度咗嘅位置嘅微電壓隨時間嘅改變，然後研究者可以睇吓呢啲電壓嘅改變規律同個腦做緊啲乜係咪有相關。
喺實用上，腦電圖對醫學嚟講都有價值：腦電圖成日都俾神經內科醫生攞嚟診斷包括發羊吊、睡眠障礙同中風呢啲涉及個腦嘅病，因為過往嘅研究清楚噉表明咗，同個腦有關嘅病會搞到病人嘅腦電活動異常；另一方面，腦電圖亦都可以反映一個病人有幾清醒，醫生可以用腦電圖斷定一個病人係唔係進入咗麻醉、昏迷或者腦死等嘅狀態。
腦電圖嘅原理建基於神經科學上對神經細胞（neuron）嘅研究。由神經科學上嘅基礎研究可知以下嘅事實：
喺實驗室觀察到以上嘅事實之後，就可以作出以下嘅推論：
不過要留意嘅係，神經細胞所產生嘅電壓查實細得好交關：實驗一再表明咗，一粒個體神經細胞產生嘅電壓好細，細到用一般嘅電極度根本度唔到；而雖然一幅腦電圖度咗數以億計嘅神經細胞嘅活動，喺一幅腦電圖入面得出嗰啲電壓值通常係以微伏特（μV；microvolt）嚟計嘅－1 μV 相當於 10（1,000,000 分之一）伏特。
腦電圖嘅粵文名源自英文：Electroencephalograph呢隻英文字係由三截組成，當中electro-意思係「同電有關」噉解，encephalo-係「同頭或者腦有關」噉解，graph係指「圖表」；喺神經科學家同心理學家嘅行話裏面，通常會簡稱腦電圖做EEG，取自「ElectroEncephaloGraph」－即係嗰三截分別嘅開頭字母－成個英文字嘅粵文譯名就係「腦電圖」。
要做腦電圖研究，要準備以下嘅嘢：
... 等等。
要攞到腦電圖，最常見嘅係非入侵性（non-invasive）做法：
順帶一提，相對少見嘅入侵性（invasive）做法就係將電極插入去個受試者嘅頭皮以下，甚至乎開刀裝一啲電極入去個受試者嘅頭殼內部。入侵性做法因為可能會傷害受試者，所以喺普通嘅人類研究當中好少見，通常入侵性做法係用喺非人類動物研究嗰度嘅，又或者係用喺對有腦疾病嘅人做嘅研究嗰度－有啲個腦有病嘅人都會俾醫生裝電極喺佢哋頭殼入面，而呢啲電極可以同時攞嚟做醫療同科研用途。
10-20 系統（10-20 system）係一套國際慣用嘅人類腦電圖研究系統，講明頭殼表面每一個位置嘅名同埋做腦電圖研究應該要將電極擺喺邊啲位置：頭殼表面有好多唔同位置，每個位置對落嗰個腦區都佢特定嘅功能，而有陣時神經科學家同心理學家會想集中研究某個腦區嘅活動，於是佢哋就要擺電極喺嗰啲區域對上嘅頭皮位置。
喺 10-20 系統之下，每一個頭殼位置嘅名都係由兩個字組成，頭一個會係一個羅馬字母，後面嗰個會係「z」或者一個數字。前面嗰個字表達咗嗰個位置下嘅係邊一個腦區－
而跟尾個數字表達咗個位置喺左定右，同離（由鼻根點去枕骨隆突嘅）中心線幾遠：「z」表示個位喺正中心線上，雙數表示喺右邊，而單數就表示喺左邊，數字愈大表示遠中心線愈遠；例：喺 10-20 系統當中，「Pz」呢個位喺頂葉（parietal lobe，主管感官資訊嘅綜合處理等功能嗰塊腦葉）對上，而且喺正中心線上面；而「T5」就係一個喺顳葉（temporal lobe；主管聽覺方面嘅資訊）對上、個頭殼左半邊嘅位置（而且離中心線比較遠）。
按 10-20 系統擺電極嘅做法如下：
... 等等。
每條電極都會話俾研究者知，嗰個位置每個時間點t{\displaystyle t}嘅電壓值。一般嚟講，喺所有準備工夫都搞掂嗮之後，研究者會開著啲電腦程式，叫受試者少啲斬眼同放鬆額頭同牙骹嘅肌肉（呢啲嘢都有可能會干擾電極嘅量度），即刻睇吓啲數據係咪正常嘅樣，睇吓啲架生（電極同放大器等）係咪運作正常，例如如果受試者明明生勾勾又清醒，但其中一條電極俾一條橫線（量度唔到任何電壓變化），噉嗰條電極就應該係有問題。一般嚟講，喺搞掂嗮呢啲嘢之後，就可以開始實驗。順帶一提，就算喺實驗期間，研究者都會一路監察住度到嘅腦電數據，睇吓有冇異常嘢發生。
電極嘅數據會由放大器等嘅架生處理過，先會去到研究者睇得到嘅狀態：每一對電極都係駁咗落去一個放大器（amplifier）嗰度，而同時個差動放大器嘅另一面又駁咗條參考電極。差動放大器嘅功能係將所量度到嘅電壓值放大（成 1,000 到 10,000 倍），等呢啲電極值更加易睇。喺廿一世紀，呢啲模擬（analog）嘅腦電圖訊號通常都會先去篩走啲雜訊號（artifact），再以 256 到 512 Hz 嘅頻率俾人轉換做數碼訊號，並且傳入去電腦嗰度做進一步嘅處理。現時嘅神經科學界同心理學界有多款軟件可以攞嚟處理同呈現呢啲數據，好似係EEGLAB噉。
同一樣嘅腦電圖數據可以有好多種唔同方法呈現，而每一款呈現數據嘅方法叫做一個裝配（montage）。例如係最常用嘅連環式裝配（sequential montage）噉，會畫好多條線出嚟，每條線嘅 Y 軸代表咗某兩條電極之間嘅電壓差（例如「Fp1-F3」嗰條線嘅 Y 軸代表「Fp1」同「F3」嗰兩個位嘅電壓差），而 X 軸代表時間－於是每一條線都會俾睇嗰個人見到個頭某一個特定嘅區域嘅電壓值隨時間嘅變化。
喺攞到啲腦電圖數據之後，就要郁手做分析。腦電圖會俾嘅原始數據（raw data）包含兩樣重要嘅資訊：
手上有咗原始數據，通常會首先做一啲事前處理（preprocessing），將數據庫變成可以做分析嘅樣。常見嘅事前處理做法包括
... 等等。
雜音雜訊（artifact / noise）係指一啲腦電圖探測到，但唔係嚟自腦活動嘅電訊號：喺實際應用上，無論係做緊科研定係醫療，研究者攞到嘅腦電數據幾乎梗會或多或少噉有啲雜音喺入面；呢啲雜音可以源自好多嘢，例如人喺斬眼嗰陣，眼珠會有啲微電壓變動，而呢啲變動可以影響頭皮上嘅電極所度到嘅微電壓值；有陣時，雜音所造成嘅微電壓值大到遮住研究者想探測嗰啲腦活動訊號。因為噉，用腦電圖嗰陣要點樣應付雜音喺神經科學研究當中係一個舉足輕重嘅課題。
一般嚟講，廿一世紀初嘅腦電圖研究有四大方法應付雜音嘅問題：
腦電圖雜音可以源自個受試者個腦以外嘅生物活動，好似係：
喺攞到數據而且處理咗啲雜音之後，就可以對「乾淨數據」（clean data）進行分析。而家想像ξ(t)∈RT{\displaystyle \xi (t)\in R^{T}}，ξ(t){\displaystyle \xi (t)}係一個向量，表示一條單一電極嘅時間線（條電極喺每個時間點度到嘅微電壓值），T{\displaystyle T}係ξ(t){\displaystyle \xi (t)}入面嘅數據數量（度咗幾多個時間點），腦電圖分析（EEG analysis）大致上可以分三種：
其中一種常見嘅腦電圖分析方法係睇吓幅腦電圖入面嗰啲腦電波（brainwave）嘅波幅：喺一個正常行緊嘅人腦入面，有數以百億計嘅神經細胞無時無刻喺度以唔同嘅頻率射訊號，當中有啲神經細胞會以 5 Hz 嘅頻率射，成一個 5 Hz 嘅波動，有啲會以 15 Hz 嘅頻率射，成一個 15 Hz 嘅波動... 如此類推（可以睇埋波動）。呢啲活動嘅總和形成腦電圖入面條線嗰啲上上落落，即係話時間點ti{\displaystyle t_{i}}嘅微電壓ξ(ti){\displaystyle \xi (t_{i})}可以用類似噉嘅式表示：
當中A{\displaystyle A}係一個波嘅最大振幅，v{\displaystyle v}反映頻率，而ϕ{\displaystyle \phi }就係相位；Asin⁡(vt+ϕ){\displaystyle A\sin(vt+\phi )}反映嗰個波喺時間點t{\displaystyle t}嘅振幅，而∑(...){\displaystyle \sum (...)}就表示唔同頻率嘅波喺t{\displaystyle t}嘅振幅冚唪唥加埋。喺攞到條腦電圖線之後，研究者可以用傅立葉變換（Fourier transform；睇返[F]{\displaystyle [F]}）等嘅數學方法，將每個上落嘅腦電數據拆開，變成每個組成條線嘅波嘅波長－估計每個頻率嘅腦電波嘅波幅同相位。
腦電波喺神經科學同心理學上好有用：將一條腦電圖線拆開做組成佢嘅各腦電波頻率之後，研究者就可以睇吓各個頻率嘅訊號喺每個時間點嗰度，貢獻咗幾多電壓落去成個腦電圖嗰條線度（反映每個頻率嘅活動分別有幾勁）以及每個頻率嘅腦電波嘅振幅同乜嘢因素有統計相關；一般嚟講，由大腦嚟嘅訊號頻率多數都喺 1 至 20 Hz 之間－唔喺呢個間距入面嘅訊號好有可能係雜音。而有意義嘅訊號俾學界分咗做幾個頻寬（bandwidth），包括咗 alpha、beta、theta、delta 同 gamma 呀噉。
廿一世紀科學界主流係將腦電波噉樣分類嘅：
大體上嚟講，一個人嘅腦整體上由以上邊一個頻寬嘅電活動主導同以下因素有關：
順帶一提，以上呢套腦電活動分類法係舊陣時（廿世紀中）嘅做法，因為嗰陣時啲腦電圖係用紙記低嘅，啲研究員要靠人手數張紙上面有幾多個波形－淨係研究到頻率係整數嘅腦電活動。呢一點搞到個分類法有啲窿窿罅罅位冇咗分類－好似係 theta 同 alpha 之間嘅 7.000... 到 7.999... Hz 噉。於是有人整咗個改良版：
Mu 波（mu wave，當中嘅mu讀做miu）係一種頻率喺 8 至 13 Hz 之間嘅腦電波，喺感覺運動皮層（sensorimotor cortex）嗰度會探測到。感覺運動皮層呢個腦區域專門管嗰個人嘅郁動，而淨係喺呢個區先會搵到嘅 mu 波係一特殊嘅 alpha 波，同鏡神經細胞（mirror neuron）嘅活動好關係密切。
Mu 波最出名嘅係能夠預測鏡神經細胞嘅活動。正常人嘅腦喺望到其他人郁動嗰陣會出現mu 壓低（mu suppression；指 mu 波強度下跌）嘅情況，而 mu 壓低反映感覺運動皮層入面嗰啲鏡神經細胞喺度活躍緊。鏡神經細胞係一種特殊神經細胞，專門幫一個人模仿其他人嘅行為同動作，例如係自動噉模仿其他人嘅表情，對於同人溝通嚟講好緊要。所以如果一個人個腦喺望其他人郁嗰陣冇 mu 壓低嘅情況出現，噉表示佢唔曉做模仿其他人嘅表情等嘅嘢－所以 mu 壓低嘅異常同自閉症呢啲令患者唔識同人相處嘅病有好大啦掕。
事件相關電位（event-related potential，簡稱 ERP）係另外一種分析腦電圖數據嘅途徑。一個事件相關電位係一個受試者每逢受到某啲特定刺激嗰陣會出現嘅電壓改變。例如：
要研究事件相關電位，研究者實要做好多次嘅試驗（trial）至得：假如而家做咗 1 次試驗咁大把，發現班受試者喺嗰次試驗入面對個刺激有 N100 嘅反應，之但係嗰個反應有可能係由啲雜音或者係個腦入面其他唔啦更嘅活動造成嘅；於是乎，個研究者就做多次嘅（例如 50 次）試驗，如果喺嗰 50 次試驗當中有（又例如）48 次都搵到班受試者對個刺激有 N100 嘅反應，噉個研究者就更加有信心話呢個實驗入面嗰一個 N100 反應係由個刺激造成嘅－因為個反應差唔多次次都喺班受試者受嗰個刺激嗰陣出現，所以會係雜音嘅機會率好低。
要由手上嘅腦電數據當中計出 ERP，可以用以下嘅算式。假想家陣有個研究者，佢向受試者施加同一個刺激施加咗N{\displaystyle N}次（做咗N{\displaystyle N}次試驗），每次當中紀錄到嘅腦電數據以x(t,k)=s(t)+n(t,k){\displaystyle x(t,k)=s(t)+n(t,k)}代表，當中s(t){\displaystyle s(t)}係指喺時間點t{\displaystyle t}當中嘅訊號（signal；想要嗰個 ERP），而n(t,k){\displaystyle n(t,k)}係指喺時間點t{\displaystyle t}同第k{\displaystyle k}事件當中嘅雜音（noise；分析前可以用一啲演算法局部篩走）。假設想研究嗰個 ERP 喺各次刺激事件當中都係一樣嘅，所以s(t){\displaystyle s(t)}後面唔會掕住個k{\displaystyle k}。所以N{\displaystyle N}次刺激事件當中嘅平均電壓值係：
假設E⁡[n(t,k)]=0{\displaystyle \operatorname {E} [n(t,k)]=0}（啲雜音嘅總體數值會係 0），x¯(t){\displaystyle {\bar {x}}(t)}嘅預期值會係E⁡[x¯(t)]=s(t){\displaystyle \operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)}。
不匹配負向波（mismatch negativity，MMN）係事件相關電位嘅一種。不匹配負向波呢種腦電規律出現通常表示，嗰個個體喺感知緊一系列嘅刺激嗰時，感知到一個騎呢、唔跟規律嘅刺激。舉個例說明，想像有個人一路望住個熒光幕，個研究者一路用腦電圖方法量度佢嘅腦電活動，個熒光幕每隔幾秒就會顯示一個數，而個人啱啱睇咗「1... 2... 3... 4... 5...」呢五個數，正路嚟講，佢會預期下一個出現嘅數係「6」，而如果下一個出現嘅數係（例如）「47」嘅話，就會出現「有個刺激唔跟規律」嘅狀況，呢個時候，佢個腦嘅視覺區域就會出現不匹配負向波。顧名思義，不匹配負向波係一種負向嘅腦電波規律，佢強度通常喺個騎呢刺激出現之後 100 至 250毫秒達到頂峰，強度喺個腦嘅額葉同顳葉嗰頭最高，而最高強度值大約係 5微伏特左右。
腦電圖喺醫療上相當常用：一個普通嘅醫療用腦電圖檢查通常會花 30 至 60 分鐘（加埋準備嘅時間），多數會靠喺頭皮表面嘅電極嚟攞幅腦電圖；腦電圖可以提供多種嘅資訊：
... 等等。
對腦電波同事件相關電位嘅研究喺心理學同神經科學等嘅領域相當常見，而且會同腦電圖嘅醫療應用相輔相成：好似係對好多心理病做嘅腦電圖研究噉，研究者會搵用心理測驗診斷咗有心理病嘅人返嚟做受試者；用腦電圖量度受試者嘅腦電活動攞數據，然後對啲數據進行統計分析，睇吓呢啲有心理病嘅人嘅腦電活動同一般人嘅有乜嘢唔同，而呢樣資訊至少有兩種用途：
舉個例，已知自閉症係一種搞到患者唔識同人相處嘅心理病。研究者搵若干個受診斷有自閉症嘅人返嚟做受試者（用心理測驗斷定咗有自閉症）；然後佢哋要求呢啲受試者睇一啲影片，呢啲影片當中某啲展示其他人身體嘅郁動，某啲展示死物，一路俾佢哋睇一路用腦電圖量度佢哋嘅腦活動；然後做統計分析，比較呢啲受試者嘅腦電活動同一般人嘅，結果發現，自閉症患者同一般人一樣，喺做動作嗰陣會有mu壓低（mu suppression）嘅現象，而一般人喺睇其他人做動作嗰陣都會有 mu 壓低，但自閉症患者喺睇其他人做動作嗰陣冇mu 壓低。呢份研究提供咗兩樣重要嘅資訊：
腦電圖相關科技亦都有軍事上嘅用途。腦電圖可以用嚟量度司令同士兵嘅腦活動，而得到呢樣資訊能夠對軍事作業起到多種作用：
遊戲設計（game design）同遊戲製作（game development）係專門思考點樣設計同製作遊戲－包括電子遊戲－嘅領域。專業嘅遊戲設計師同製作師會以製作出令玩家開心過癮嘅遊戲為目標，所以對玩家體驗嘅思考係遊戲設計同製作上嘅一個重要課題。喺遊戲設計同製作上，腦電圖可以有多種用途：
腦機介面（brain-computer interface，BCI）係一種神經科學上嘅技術，涉及用各種神經造影方法－包括腦電圖－監察住受試者嘅腦活動，跟手再將數據即時噉輸入去電腦入面，而部電腦內部會有啲程式，按照收到嘅輸入訊號控制某啲機械－能夠達到幫人類齋靠諗嘢嚟控制機械嘅效果。
例如P300就係一個喺腦機介面技術上常用嘅事件相關電位，P300 反映一個受試者有將一個刺激喺心入面做分類同評估，而有研究就試過要一班受試者坐喺一個熒光幕前面，再定時定候俾一個指向上下左右是但一個方向嘅箭咀喺個熒光幕嗰度出現同快速消失，佢哋叫班受試者淨係留意其中一個方向嘅箭咀，一路監察住佢哋個腦有冇 P300 出現，結果發現，喺呢個情況下，P300 可以攞嚟可靠噉控制一件物體郁嘅方向（例：要個受試者淨係留意指向上嘅箭咀，而每當有向上箭咀出現，受試者個腦會出現 P300，而呢個訊號可以傳去一隻機械手臂嗰度）。
腦電圖腦機介面技術仲可以用嚟製作新型嘅遊戲：喺最廣義上，一隻電子遊戲係一個電腦程式，會接收由玩家俾嘅輸入，按玩家輸入改變遊戲狀態，並且將遊戲狀態嘅改變作為輸出俾玩家睇，等玩家可以由探索遊戲世界當中得到樂趣。喺廿同廿一世紀初，玩家輸入都係通過遊戲控制器－有若干個掣俾玩家撳－嚟得到嘅，不過 2010 年代開始，就有遊戲製作方面嘅專業人士開始研究俾玩家通過「諗嘢」嚟俾輸入：想像一部遊戲機，部機駁住咗個腦電圖量度器，並且能夠按探測到嘅腦電規律控制遊戲狀態，簡單例子：探測到規律 A 就當玩家想攻擊，而探測到規律 B 就當玩家想防守－假設玩家能夠控制自己嘅腦電活動，就會達到「玩家可以靠諗嘢控制隻遊戲」嘅效果。
腦電圖係現代神經科學同心理學上最常用嘅神經造影（neuroimaging）方法之一。神經造影泛指任何可以用嚟整描述神經系統（包括腦）嘅圖像嘅架生，包括咗腦電圖。除咗腦電圖之外，現代神經科學同心理學上仲有多種神經造影方法，好似係正電子放射斷層掃描（PET）同埋功能性磁振造影（fMRI）呀噉。同第啲神經造影方法比起上嚟，腦電圖有優點，亦都有缺點。
...等等。
腦電圖技術始於 19 世紀同廿世紀嘅交界：去到 19 世紀尾，神經科學界經已知道一隻動物受嘅刺激會影響佢腦嘅電活動，並且對神經細胞嘅概念有咗基礎嘅了解，仲有科學家提出咗腦電波嘅諗頭同對狗等嘅非人類動物嘅腦電作出量度；對人類腦電嘅研究就始於 1924 年，當時德國生理學家兼精神醫學專家漢斯伯格（Hans Berger；1873-1941）做出咗史上第一次嘅人類腦電量度，而且仲幫腦電圖改咗名，及後第啲神經科學家複製漢斯伯格嘅發現，令到神經科學界正式展開對人類腦電嘅研究。
廿世紀可以話係腦電圖研究進入全盛嘅時期：喺 1960 年代，美國太空總署（NASA）做咗份研究項目，嘗試用腦電圖監察太空人喺飛行嗰陣嘅腦電波；喺 1988 年，科學界仲開始咗研究用腦電量度嚟幫人類控制機械人－係早期嘅腦電圖腦機介面研究。
總體嚟講，腦電圖喺廿世紀後半正式成為咗一種常用嘅神經造影方法，喺多個領域入面都受到採用。