第1章 EEG和fMRI的生理基础

       作为万物之灵的人类进化出的最伟大结晶——人脑堪称世界上最为精妙复杂的系统。由它演奏出来的乐章时而慷慨激昂、时而消沉沮丧、时而快乐喜悦、时而又感怀忧伤。可以说所有的行为都因它而起，而所有的感悟又由它而生。全世界研究脑科学的人们都仿佛在面对一堂精彩绝伦的音乐会，我们惊讶得似乎只有睁大眼睛竖起耳朵：美妙的音符随着娴熟的演奏潺潺流出，飞向天际。神经成像领域也有这样的眼睛和耳朵：功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和脑电（electroencephalogram，EEG）。一个让我们在毫米量级看到大脑的活动，另一个则让我们在毫秒量级听到大脑的旋律。

       头表EEG反映的是同步神经电活动，具有和神经认知过程相同的时间尺度。但信号在传出头皮的过程中经过了多次混叠，其空间信息较为模糊。fMRI与神经元群的能量代谢消耗有关，空间分辨率能达到毫米量级。但其信号的时间分辨率很低，大约在秒的量级。需要强调的是fMRI 的这一低时间分辨率是由血氧水平依赖信号（BOLD）本身的产生机理决定的，不能通过提高成像的采样率进行缓解。EEG和fMRI以其无创地对全脑活动进行观察和记录的能力，成为目前最主要的两种神经成像工具，已在学术研究和临床诊断中得到极大关注和广泛应用。本章将简单介绍EEG和fMRI的神经生理基础，以帮助我们对同步EEG—fMRI信号的理解和分析结果的解释。

1.1大脑解剖结构

       脑可以分为大脑、小脑、间脑和脑干。其中大脑体积最大，平均质量为1.4 kg。大脑分为皮质和髓质。皮质又称为灰质，主要由神经细胞组成，它的面积大约为2500 cm2，厚度为1～4 mm，由于颅腔容量的限制而出现沟、回，并逐渐增加其数目。最新的研究显示人脑的神经元数量有850亿～1000亿个，而一个典型的神经元会通过突触和约1000个其他神经元进行通信。也就是说，大脑中约有100万亿个突触。细胞与细胞间的信息传递以化学传递为主，多达50种神经递质参与了这项任务。左右半脑通过胼胝体相连，按脑表面的沟、回分布，可进一步将大脑分为额叶、颞叶、顶叶和枕叶。脑的解剖分区如图1—1所示，额叶（frontal lobe）是大脑中最高级的部分，位于中央沟以前，包括初级运动区、前运动区和前额叶。额叶主要负责思维、计划，与个体的需求和情感相关。颞叶（temporal lobe）位于外侧裂下方，由颞上、中、下三条沟分别为颞上回、颞中回、颞下回，隐在外侧裂内的是颞横回。在颞叶的侧面和底面，在颞下沟和侧副裂间为梭状回，侧副裂与海马裂之间为海马回，围绕海马裂前端的钩状部分称为海马沟回。颞叶为听觉言语中枢、嗅觉中枢、味觉中枢所在地。主要负责处理听觉信息，也与记忆和情感有关。