「脳波」の版間の差分

{{box|text=脳波とは、ヒトの主に大脳皮質の錐体細胞の[[シナプス|シナプス後電位]]の集合電位を頭皮上から観察しているものである。動物についても脳波とよぶことがある。身体に害を与えない非侵襲性の手法であることから、ヒト脳イメージング研究によく用いられる。非侵襲性イメージング手法の中でも、神経活動に伴う緩徐な血流動態を計測する[[核磁気共鳴画像法|機能的核磁気共鳴画像法]]（fMRI）に比べて高い時間分解能をもち、ミリ秒オーダーの神経細胞集団の活動を計測できる。その一方で空間分解能は低く、計測信号から活動領域を推定することは高度な解析技術を要する。}}

ある神経細胞の活動電位が軸索を通って[[シナプス]]に達すると、[[神経伝達物質]]を介して他の神経細胞へと情報が伝達される。この結果としてとしてシナプス後細胞が脱分極ないし過分極したときのシナプス後膜に発生する電位を'''シナプス後電位'''という。シナプス後電位が生じると尖樹状突起と細胞体の間で細胞内電流が生じる。このとき細胞内電流とは逆方向に細胞外電流が生じ、電流双極子とみなすことができる。大脳皮質のニューロン集団がその周波数帯域で局所的に'''同期'''して周期的な活動すると、多数の同一双極子が並ぶことになり、空間的に加重した電場が細胞外にできる。脳波は、この細胞外電流由来の電場電位の変化を頭皮上で観測したものである。<br>

　脳波として計測される過程で，細胞外電流は神経路以外の髄液や頭蓋骨を伝わる（[[体積伝導: volume conduction]]]）。髄液は高い電導性をもち、電流は広範囲に広がってしまうために活動領域の空間情報は劣化する。また、頭蓋骨の低電導性によって大きく信号は減衰されるため、高いS/N比を得るためには計測装置の磁場や漏れ電流などによる外乱ノイズを可能な限り無くすことが望ましい。<br>

脳波は、頭部に接地された二つの電極間の電位差を増幅器で増幅することによって記録される。脳波を記録する電極を探査電極とよび、これに対して基準となる電極を基準（リファレンス）電極と呼ぶ。脳波の導出方法は、共通の基準電極を用いて探査電極との電位差を記録する'''共通基準導出'''と、隣り合う電極間で電位差を記録する'''双極導出'''に大別される。そのため共通基準導出は比較的広範囲で生じる空間的変化をみるのに適しており、双極導出は局所的な変化をみるのに適している。<br>

 

基準電極の位置に依存する脳波の空間分布の偏りについては、'''再基準化'''によって対処することが可能である。再基準化の方法に、'''平均基準化'''と'''連結基準化'''が挙げられる。平均基準化では、全電極の平均電位を基準とすることで、リファレンスの活性化による影響を減らして局所的な変化を比較的明確にすることができる。一方、連結基準化では複数の電極部位を連結して基準にする手法であり、左右半球での偏りをなくすために左右の耳朶の電極を連結させた両耳朶連結基準がよく用いられる。基準電極同士を直接連結させた場合、左右耳朶に接地した電極インピーダンス（頭皮との接触抵抗）が左右で異なっていると基準が脳中央部からインピーダンスの低い側に移動してしまう。対策として、オフラインで再基準化を行う方法がある。たとえば左耳朶を基準として脳波を記録する際には、逆の右耳朶の電極からも信号を記録し、解析時に右耳朶で記録された電位の1/2をすべての脳波から減算する。これにより、左右の耳朶の平均電位を再基準とすることができる。<br>

頭皮上から脳波を計測する際に電極を置く位置は、国際脳波・臨床神経生理学会連合から推奨されている'''国際10-20法'''（International 10-20 system）に則り配置することが一般的である（参考文献：『事象関連電位測定ガイド』あとで追加）。国際10-20法では、眉間と外後頭隆起を結ぶ線と両側の耳介前点を結ぶ線の長さを基準としてその10%と20%の長さを組み合わせて電極位置を決める（図hoge左）。これにより、当該の大きさに関係なくほぼ一定部位に電極が配置でき、各電極間の距離をほぼ等しくできる。記録電極数の増加に対応するため、国際10-20法の各電極間の中点に電極を配置したものが拡張10-20法である（図hoge右）。近年では、脳波の電流減密度推定をより精度よくするため、２〜４センチメートル間隔で１２８〜２５６個の電極を配置した高密度脳波計測も行われるようになってきている。<br>

=== 入力抵抗と接触抵抗 ===

脳波計測では、脳を生体電源として探査電極とグラウンド電極で閉回路をつくり、オームの法則から探査電極にかかる電位を測る。しかし実際には生体内部では合計数十キロΩにもなる抵抗がかかっており、なおかつ変動することがあるため測定はできない。これによって探査電極にかかる電圧が生体電源電圧と等しくならず、正しい計測ができない。この生体内の抵抗を無視するために、脳波計の入力端子間における抵抗（'''入力抵抗'''）を高くする必要がある（10MΩ以上）。生体側の抵抗よりも入力抵抗が十分に高ければ、抵抗の両端で生じる電位差を脳で生じた電圧とほぼ等しいとみなすことができる。<br>　

　生体信号の記録には、銀-塩化銀（Ag/AgCl）電極の電気特性が最も良いといわれている。ただし、脳波計の入力インピーダンスが十分に高ければ、電極の種類によらず歪のない計測ができるといわれている。電極を頭皮に接地する際には、頭皮との間に導電性のゲルを埋めて電気的に接触させる。この電極と頭皮における接触抵抗は、S/N比の高い脳波計測をするうえで非常に重要になってくる。接触抵抗が高いと閉回路に余計な抵抗が直列接続されることになり信号が減衰してしまうため、頭皮の角質を落とすといった前処理で下げる必要がある。接触抵抗は各電極とグラウンド電極間に交流電流を流した際の電極間抵抗として計測が可能であり、5kΩ以下にすることが望ましいとされる。また、電極抵抗はできるだけ一様に下げることが望ましい。これは電極抵抗の値が揃っていれば差動増幅器（脳波計）の特性によって同相信号が除去されるためであり、電源ラインから混入する交流障害（ハム）の影響を少なくすることができる。<br>　

　入力インピーダンスは脳波計の性能次第であるが、ボルテージフォロワのような回路が仕込まれている電極では、電極ごとの接触インピーダンスに応じて入力インピーダンスを十分に上げることができる。この電極を能動電極（'''アクティブ電極'''）とよび、対照的に回路が組み込まれていな電極を'''パッシブ電極'''と呼ぶ。<br>