大脑
一台低功耗的微型计算机
生物电是生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化,是生命活动的基本特征之一。大脑中的生物电称为脑电,它的信号极其微弱,属毫伏级,记录脑电信号也因此面临极大挑战。人类大脑每小时消耗20瓦能量,而一台笔记本大概消耗110瓦,目前没有任何人工系统能够媲美人脑的低能耗。那大脑这台计算机是如何运转的呢?
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大脑结构和功能
复杂的三维网络信号
人类大脑是由数百亿个神经元相互连接组成的复杂系统。神经元会从胞体伸出各种突起,像树杈一样层层伸展的叫树突,像触手一样绵延伸展的叫轴突。树突像信号接收器,轴突像电线一样传输信号,它们彼此相互连接,形成一个复杂的三维网络信号。
想象一下,大脑的每个神经元都是一盏灯,在这个神经网络交织的小世界里,任意点亮一盏灯,若干盏相联系的灯就可能会因此被点亮,从而形成美轮美奂的灯阵。
我们的每一个感受、想法、记忆和决策等都以电信号强弱的形式存在于这些唯美的灯阵里,记录并解码这些脑电活动就变得非常有意义,这有助于人类进一步地理解大脑,甚至实现对神经元信号进行控制,而研究成果将可用于医疗健康、教育及娱乐等行业造福人类。
便携式脑电设备如何记录脑电活动
记录脑电信号有侵入式和非侵入式两种技术。侵入式的技术可以记录单个神经元的信号,就像一对一访谈一样,但成本极高,需要攻克多方面的技术难题,比如电极需要柔性,植入电极需要克服排异反应等。

脑电图(Electroencephalography, EEG)属于一种流行的非侵入、无损伤技术,通过放置在头皮上的电极来记录大脑内部的信号。该技术主要采集到大量的神经元细胞群同步活动产生突触后电位的电活动,时间分辨率可达毫秒级别,其记录效果就好比人们在无票的情况下,在足球场外场同样能感受球场上的欢呼雀跃。

在大脑的各个部位都可以记录到脑电活动,其中一个部位叫前额叶,它与注意、记忆、问题解决等高级认知密切相关,有着丰富的脑电活动。易念科技(深圳)有限公司自主研发的便携式脑电记录设备心影头环在前额设置了4个测量电极,可以有效记录到前额叶的各种脑电信号。

Biasiucci, A., Franceschiello, B., & Murray, M. (2019).Electroencephalography.
Current Biology, 29(3), R80–R85.
https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.11.052
电极指示图
电极特写图展示