让我们跟随医学生小陈的脚步,去探索脑电波,尽管这只是现代科学揭开的一点点奥秘,也足以令我们惊叹和着迷。
一、什么是脑电波?
小陈读医科大学的时候,越学越感叹人体的复杂和精密。作为人体的“司令部”,大脑重量仅为人体总重量的2%,但耗氧量却占全身耗氧量的20%~30%;大脑有着强大的 信息处理能力(执行人的想法等),这依赖脑细胞内部和细胞之间的化学递质和电信号帮忙。大脑的一切都令小陈感到新奇。
还记得中学时代“青蛙实验”证实的“生物电”吗?医学中广泛应用心电图、脑电图、肌电图等检测生物电的方法来协助诊治疾病。其中,脑电图记录着脑细胞的电活动情 况。MatthewWalker教授对此做了形象的比喻:一个个脑细胞好似一个超大型体育场的所有观众,脑细胞处理着多种信息的过程好似体育场观众坐在不同的位置互相谈论着不同的事情,头皮的记录电极好似一个个挂在体育场上空的麦克风,采集着它们的对话(电信号),进而形成脑电波。
二、脑电波的类型
小陈第一次到脑电图室实习,看到患者头皮上固定着许多个记录电极,连着一根根导线,另一端的电脑上显示着一条条略微杂乱的波形。他想起1924 年德国HansBerger教 授在脑内电信号记录的基础上,第一次记录了人类头皮脑电信号,演示了不同类型的脑电波。其后仅仅一百年的时间,脑科学就发生了翻天覆地的变化。
脑电波根据频率(1秒内包含重复脑波的数量,单位Hz)不同主要分为:α波(8~13Hz, 见于平静放松状态)、β波(14~30 Hz,见于紧张、专注和运动状态)、θ波(4~7.5 Hz,见 于渐睡状态)和δ 波(小于3.5 Hz,见于深睡眠时)。不同状态的脑电波有所不同(图1)。
三、基于脑电波的睡眠分期出于对脑科学和睡眠科学的热爱,小陈考取了睡眠专业的研究生。他逐渐理解了睡眠并不是简单的意识缺失,而是精准调控的动态过程,有着复杂的生理变化和重要功能。记录脑电波则是睡眠研究的重要一环。根据脑电波和生理状态,睡眠划分为非快速眼动睡眠(non-rapid eye movement,NREM) 和快速眼动睡眠(rapid eye movement,REM)。非快速眼动睡眠按睡眠由浅至深分为4 个 阶段:Ⅰ期(入睡期)、Ⅱ期[ 浅睡眠期;这一期脑电中出现纺锤波(频率为12~14 Hz,波幅形似纺锤)和K-综合波]、Ⅲ期和Ⅳ期(深睡眠期;脑电波频率渐渐变慢,最终δ 波 占主导)。Ⅲ期和Ⅳ期又称慢波睡眠。
四、独特的快速眼动睡眠期小陈惊讶地发现,快速眼动睡眠期的脑电波同清醒并且专注时的脑电波类似,又称快波睡眠。这时大脑很活跃,眼球在眼皮下面快速运动,但四肢和躯干的肌肉最为松弛,几乎完全不能活动。快速眼动睡眠期相当独特,多数梦都发生在这一时期,梦境生动。在快速眼动睡眠期醒来,有时可以记得这些梦,回味也更充分。在这一时期,大脑麻痹了身体,人才能安全地做梦,不会随梦境挥拳和奔跑。
五、睡眠周期 小陈在睡眠中心接触到多导睡眠图(即采集并分析睡眠中脑电波、眼动电图、肌电图、胸腹呼吸等多种指标的一种检查),发现各睡眠分期并不是完全依次进行,脑电波往往是渐进变化,重叠交错,有所侧重的。每天晚上非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期交 替出现,每交替一次为1 个周期,每个周期大约90分钟(成人),每晚出现4~5 个这样 的周期(图2)。前2个睡眠周期中慢波睡眠多见,后半夜睡眠周期中快速眼动睡眠时间越来越长。
睡眠分期是为了便于科学研究而人为划分的,但非快速眼动睡眠期和快速眼动睡眠期确实还有相应的全身改变:在非快速眼动睡眠期,全身代谢减慢,呼吸平稳,心率减慢,血压下降;在快速眼动睡眠期,呼吸浅快而且不规则,心率增快,血压波动。