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一百年前，人類首次記錄下第一條腦電波，如今，這一束火花支撐起了半個(gè)腦科學(xué)。本文中，我們梳理了來自全球500余位專家的聲音：他們的關(guān)注重點(diǎn)，優(yōu)先事項(xiàng)和下一步的行動(dòng)呼吁，既是對過往百年的敬意，也是對未來百年的期許。讓我們共同投身這場連接心智與電波的偉大旅程，使腦電波的潛能在科學(xué)與社會(huì)的疆域中延續(xù)、綻放。
?Mushtaq, Faisal, et al. "One hundred years of EEG for brain and behaviour research." Nature Human Behaviour 8.8 (2024): 1437-1443.
01 追溯EEG的歷史
1924年7月6日，精神病學(xué)家漢斯·伯杰（Hans Berger）與神經(jīng)外科醫(yī)生尼克萊·古勒基（Nikolai Gulekey）一同在德國耶拿的一間手術(shù)室內(nèi)，首次記錄下了人類大腦的自發(fā)電活動(dòng)。這一開創(chuàng)性成果為現(xiàn)代腦電圖（EEG）技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)（圖 1，腦電記錄圖例）。
一轉(zhuǎn)眼，整整百年過去。我們向來自50多個(gè)國家的500多位專家請教，探討EEG在理解大腦功能與功能障礙方面的影響，也聽取他們對未來百年 EEG 研究重點(diǎn)的看法，希望由此最大化 EEG 對神經(jīng)科學(xué)乃至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在貢獻(xiàn)。
在這些交流基礎(chǔ)上，我們還請專家們想象，在未來一整個(gè)世紀(jì)里，腦電圖技術(shù)如何在神經(jīng)科學(xué)和社會(huì)中不斷演變。本篇評論文章將匯總他們的意見與建議，并呼吁各界積極行動(dòng)，充分釋放EEG的潛力。
?圖1，2024年的腦電圖記錄。2024年，在英國布拉德福德的一所學(xué)校教室里，一名年輕參與者戴著現(xiàn)代無線耳機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室外記錄腦電圖。屏幕上顯示的信號，逐行重復(fù)，是漢斯·伯杰一個(gè)世紀(jì)前從他的兒子克勞斯那里拍攝的早期錄音的改編，顯示了正弦10赫茲的活動(dòng)，他稱之為“阿爾法節(jié)律”。
02 什么是腦電？
腦電圖（EEG）是一種非侵入性（non-invasive）神經(jīng)成像技術(shù)，通過放置在頭皮上的電極記錄大腦的電活動(dòng)。其所記錄的信號，即腦電圖（EEG），是皮層神經(jīng)元群體（沿皮層柱排隊(duì)的錐體細(xì)胞）中同步突觸活動(dòng)的產(chǎn)物。每個(gè)電極位點(diǎn)的電壓波動(dòng)反映了活動(dòng)電極和參考電極之間的差分信號，經(jīng)放大后記錄為腦電波形。這些電變化能以高時(shí)間分辨率被捕捉，為觀察大腦在亞毫秒尺度的時(shí)間維度的活動(dòng)提供了一個(gè)窗口。
在臨床應(yīng)用上，EEG有著無可替代的地位。因?yàn)槟承┨囟?a class="keyword-search" >腦功能異常的病例會(huì)引發(fā)相對一致的EEG模式，并且這些模式可以被檢測到。定量腦電圖（qEEG）通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法提取腦電波形的數(shù)值特征，來支持信號解讀，推動(dòng)了此類應(yīng)用的臨床落地。此外，EEG不僅是癲癇診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，還可用于識別睡眠障礙、判定腦功能存續(xù)狀態(tài)，或探查特定意識障礙。其中，視覺誘發(fā)電位已被用于診斷多發(fā)性硬化癥（該疾病會(huì)導(dǎo)致脫髓鞘病變），而聽覺誘發(fā)電位可檢測新生兒的聽力異常。
通過將信號與反應(yīng)或外部刺激進(jìn)行時(shí)間鎖定（time-locking），并在多次試驗(yàn)中對信號進(jìn)行平均處理，可以提取出與誘發(fā)該活動(dòng)的感覺、運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知事件特異性相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于監(jiān)測整個(gè)發(fā)育過程中大腦成熟度、心理健康狀況以及考察行為治療和藥理治療干預(yù)后的神經(jīng)變化。在學(xué)術(shù)研究中，通過對EEG信號進(jìn)行平均和單次試驗(yàn)分析，已被廣泛用于探索與認(rèn)知處理相關(guān)的基本問題，包括與注意力、情緒、記憶和決策相關(guān)的研究。
憑借其便攜性和低成本優(yōu)勢，EEG越來越多地進(jìn)入真實(shí)場景應(yīng)用，包括社區(qū)和其他因成本過高或操作受限而無法使用常規(guī)神經(jīng)影像技術(shù)的環(huán)境。隨著商業(yè)化產(chǎn)品不斷問世，腦功能監(jiān)測日漸普及。EEG與其他技術(shù)的融合，包括人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），正在創(chuàng)造與數(shù)字和物理世界互動(dòng)的新可能性。腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)的進(jìn)步表明，EEG不僅能操控義肢與通訊設(shè)備，還可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)反饋訓(xùn)練及促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)。
?圖3,4 科學(xué)問題及AI方法中，每個(gè)聚簇使用AI的研究多少，圖中x 軸表示每個(gè)聚簇的總出版物數(shù)量，而 y 軸反映每個(gè)聚簇中的跨學(xué)科 AI4Science 出版物數(shù)量。
03 歷史和影響
在二十世紀(jì)初，生理學(xué)家們普遍熱衷于在顯微鏡下研究細(xì)胞和神經(jīng)纖維，極少有人想象在完整的人腦表面放置電極記錄電活動(dòng)——這看起來太過大膽甚至荒誕。然而伯杰并未被時(shí)代的眼光束縛，他一生都致力于尋找一種名為“精神能量”的客觀證據(jù)，希望借此揭開人類心智的奧秘。經(jīng)過多年探索，伯杰終于在1924年實(shí)現(xiàn)了突破：他第一次記錄下了人類大腦的自發(fā)電活動(dòng)，也就是今天廣泛使用的腦電圖（EEG）的雛形。然而由于他謹(jǐn)慎自疑，直到1929年，他才公開了這一劃時(shí)代的成果[1]。
在此期間，他進(jìn)行了數(shù)百項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，不斷完善從開顱手術(shù)的直接腦電記錄，到后來頭皮表面的無創(chuàng)采集技術(shù)。盡管科學(xué)界對這一發(fā)現(xiàn)持謹(jǐn)慎態(tài)度，但大眾媒體卻毫不拖延，創(chuàng)造了“腦紋”（Hirnschrift）一詞來描述伯杰的檢流計(jì)捕捉到的波形。魏瑪共和國的公眾討論表現(xiàn)出巨大熱情，他們對EEG的潛力有著各種幻想，甚至認(rèn)為它能用于讀心術(shù)，或通過腦波判斷一匹馬的脾氣秉性[2]。
也許最重要的是，這一發(fā)現(xiàn)帶來了一種期望，即這種對活體人腦前所未有的實(shí)證研究可能有助于解開心智的奧秘。
最終完成科學(xué)祛魅的，是諾獎(jiǎng)得主、卓越生理學(xué)家阿德里安勛爵（Lord Adrian）。1934年，阿德里安與B.H.C.馬修斯（B.H.C.Matthews）一起重復(fù)了伯杰的實(shí)驗(yàn)，由此開辟神經(jīng)電生理研究新紀(jì)元。不久之后，新的實(shí)驗(yàn)室開始不斷突破界限。例如，研究者們迅速繪制出睡眠時(shí)大腦的電活動(dòng)圖譜（愛因斯坦本人也曾參與早期的睡眠研究實(shí)驗(yàn)）[2]；EEG還改變了人們對癲癇的理解，使其從人格或心理異常轉(zhuǎn)變?yōu)槊鞔_的腦電活動(dòng)異常疾病[3]；威廉·倫諾克斯（William Lennox）和吉布斯（Erna & Frederic Gibbs）在神經(jīng)疾病生物標(biāo)志物研究取得突破；瑪麗·布雷齊爾（Mary Brazier）與諾伯特·維納（Norbert Wiener）則運(yùn)用模擬計(jì)算機(jī)建立EEG隨機(jī)過程模型，奠定定量分析基礎(chǔ)[3]。
后來，數(shù)字計(jì)算機(jī)的迭代加速了技術(shù)革新進(jìn)程，推動(dòng)誘發(fā)電位、頻譜及時(shí)頻分析、偽跡剔除等方法的演進(jìn)，更為腦年齡預(yù)測、規(guī)范建模等前沿方向鋪就道路。
回溯百年發(fā)展軌跡，受訪學(xué)者普遍認(rèn)同臨床診斷是EEG展現(xiàn)核心價(jià)值的領(lǐng)域。如今，EEG得到了成熟的科學(xué)及專業(yè)學(xué)會(huì)的支持，這些學(xué)會(huì)在全球范圍內(nèi)大力推廣EEG的應(yīng)用[4]。事實(shí)上，在臨床資源有限的環(huán)境中，EEG通常是唯一可用的神經(jīng)影像學(xué)方法，并且仍然是唯一實(shí)現(xiàn)腦功能異常群體篩查的有效技術(shù)手段[5]。
04 腦電的未來展望
為了預(yù)測EEG在未來一個(gè)世紀(jì)的影響，我們構(gòu)建了涵蓋潛在發(fā)展突破的研究命題清單，涵蓋了從容易實(shí)現(xiàn)的短期目標(biāo)到大膽的前沿暢想，并請專家們評估了這些方向的可行性與實(shí)現(xiàn)時(shí)間。
受訪者的回應(yīng)認(rèn)為，大多數(shù)預(yù)測將在未來幾代人的時(shí)間內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)（見圖2）。一些短期目標(biāo)已經(jīng)在特定季度內(nèi)實(shí)現(xiàn)。例如，EEG在睡眠障礙診斷中的標(biāo)準(zhǔn)化流程構(gòu)建，以及部分臨床應(yīng)用場景的自動(dòng)化分析方案的建立[3]。
另一些暢想似乎只有幾年之遙，如消費(fèi)級硬件的普及，EEG精準(zhǔn)檢測腦功能異常及藥理干預(yù)評估等技術(shù)路徑已具備可行性。個(gè)性化的神經(jīng)調(diào)控療法似乎也是改善疾病中大腦功能、加速健康人學(xué)習(xí)和技能獲取的一種很有前途的途徑。學(xué)界更預(yù)期，以神經(jīng)退行性癡呆為代表的進(jìn)展性疾病（其病理始于突觸級異常），先進(jìn)EEG技術(shù)將成為其早期篩查工具。
?圖2|預(yù)測EEG的未來里程碑。擁有6685年集體經(jīng)驗(yàn)的調(diào)查受訪者（n=515，來自51個(gè)國家）對EEG社區(qū)可能廣泛接受所列陳述的時(shí)間進(jìn)行了評分。在這里，我們給出了所有響應(yīng)的排序中值平均值（誤差條表示平均值的95%置信區(qū)間）。為了便于展示，聲明標(biāo)簽被縮短了。如果參與者的不確定性太高，他們可以選擇不進(jìn)行預(yù)測。每份聲明的回復(fù)百分比以顏色表示，從青色（88%）到淺灰色（37%）不等。通過我們的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，可以按受訪者特征對預(yù)測進(jìn)行分層。AR，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；BCI，腦機(jī)接口；事件相關(guān)電位；VR，虛擬現(xiàn)實(shí)。
正如預(yù)期的那樣，兩項(xiàng)最大膽的預(yù)測——解碼夢境內(nèi)容及通過EEG讀取長時(shí)記憶——引發(fā)了最悲觀的情緒。
05 優(yōu)先事項(xiàng)
這項(xiàng)調(diào)研的另一個(gè)核心目標(biāo)在于厘清EEG學(xué)術(shù)共同體的優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)，以指導(dǎo)未來的工作方向。
我們提出的所有優(yōu)先事項(xiàng)都達(dá)到了至少中等重要程度的中位評級（圖3）。其中，EEG定量分析工具（偽影清理、記錄硬件和分析軟件）的改進(jìn)排名最高。標(biāo)準(zhǔn)化成為另一個(gè)緊迫要?jiǎng)?wù)，需在基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用中建立數(shù)據(jù)采集、信號處理及分析流程的標(biāo)準(zhǔn)化共識。硬件制造商和軟件開發(fā)商須協(xié)同推進(jìn)設(shè)備與軟件包的互操作性，支撐標(biāo)準(zhǔn)落地。
我們主張將上述優(yōu)先事項(xiàng)與技術(shù)預(yù)測整合，構(gòu)建未來數(shù)十年發(fā)展路線圖：技術(shù)革新需與學(xué)界共識標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同推進(jìn)，方能充分釋放EEG技術(shù)潛力。
?圖3：腦電圖進(jìn)展的初步結(jié)果。與會(huì)者評價(jià)了EEG研究各個(gè)領(lǐng)域的重大發(fā)展和進(jìn)步對該工作的重要性。優(yōu)先級列表按“極其重要”比率的頻率排序。
06 行動(dòng)呼吁
除了對優(yōu)先事項(xiàng)進(jìn)行評分和預(yù)估外，我們還邀請調(diào)查對象通過自由評論的形式分享他們的見解。在他們的評論中表現(xiàn)出學(xué)界一定的樂觀態(tài)度，認(rèn)為新興技術(shù)為EEG開辟了令人興奮的新可能性：日益親民的硬件價(jià)格，加上人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實(shí)和腦機(jī)接口的進(jìn)步，為我們解析對大腦行為關(guān)系帶來了新的機(jī)遇。這些技術(shù)還能從根本上改變我們與物理世界和數(shù)字世界的互動(dòng)方式，助力應(yīng)對全球腦健康挑戰(zhàn)[6]。
不過，評論中也表達(dá)了技術(shù)轉(zhuǎn)化遲滯的隱憂。盡管受訪者普遍認(rèn)可EEG的低成本、無創(chuàng)性、便攜性及高時(shí)間分辨率優(yōu)勢將保障其持續(xù)發(fā)展，但是，基于EEG的全球腦健康生物標(biāo)志物的開發(fā)仍被視作中長期目標(biāo)。從回復(fù)中，我們還聽到了各種擔(dān)憂，從缺乏對臨床和科研實(shí)踐既定標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的遵守，到新型商業(yè)應(yīng)用引發(fā)的倫理問題以及“神經(jīng)增強(qiáng)”帶來的社會(huì)爭議。
為實(shí)現(xiàn)EEG技術(shù)在下世紀(jì)乃至更長遠(yuǎn)未來的持續(xù)發(fā)展，我們倡議聚焦三大核心維度：
（1）效度驗(yàn)證：通過確保基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用場景下研究設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性、結(jié)果可靠性與實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性，建立技術(shù)公信力；
（2）技術(shù)普惠：重視數(shù)據(jù)多樣性對神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究的推動(dòng)作用，開發(fā)自動(dòng)化分析流程，支撐包容性衛(wèi)生政策制定；
（3）責(zé)任倫理：構(gòu)建技術(shù)準(zhǔn)入公平機(jī)制，強(qiáng)化隱私保護(hù)體系，踐行可持續(xù)發(fā)展理念。
下文將對此綱領(lǐng)進(jìn)行系統(tǒng)性闡釋。
07 有效性
EEG已經(jīng)在多個(gè)臨床場景中展現(xiàn)出了價(jià)值。但專家標(biāo)注的大規(guī)模開放數(shù)據(jù)集匱乏既制約新型自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證，也影響研究成果整合（臨床EEG報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語體系詳見參考文獻(xiàn)7）。在其他領(lǐng)域，開放數(shù)據(jù)集已成為機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能發(fā)展的基礎(chǔ)，而EEG領(lǐng)域的大規(guī)模開放數(shù)據(jù)集的開發(fā)才剛剛起步。
當(dāng)前基礎(chǔ)研究正推進(jìn)EEG現(xiàn)象的大規(guī)模系統(tǒng)性探索[8]。但臨床應(yīng)用研究受困于專業(yè)臨床科研人才梯隊(duì)斷層，亟待建立高可復(fù)現(xiàn)性大型數(shù)據(jù)集，此乃提升新方法診斷效能、攻克優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)的關(guān)鍵。令人驚訝的是，人們對開放科學(xué)實(shí)踐的看法存在分歧。數(shù)據(jù)共享與歸檔方案在投票中優(yōu)先級偏低，然此恰是實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)推廣兩大迫切目標(biāo)的核心路徑。
因此，我們建議：
整合跨機(jī)構(gòu)資源構(gòu)建專家標(biāo)注的開放數(shù)據(jù)資源庫，驅(qū)動(dòng)探索性科學(xué)發(fā)現(xiàn)與診斷技術(shù)創(chuàng)新；
持續(xù)推進(jìn)學(xué)界主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，建立涵蓋數(shù)據(jù)采集-處理-分析全鏈條的標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程，保障研究可復(fù)現(xiàn)性與結(jié)果可重復(fù)性。
盡管EEG是大腦功能最廣泛使用的直接測量手段，但在世界上大多數(shù)地區(qū)仍無法使用，現(xiàn)有科研數(shù)據(jù)高度集中于少數(shù)國家及特定人群。與科學(xué)界和社會(huì)的其他領(lǐng)域一樣，腦電研究領(lǐng)域開始意識到數(shù)據(jù)多樣性的匱乏所帶來的局限性。
為了突破這些局限，我們努力將調(diào)查問卷廣泛分發(fā)到個(gè)人社交網(wǎng)絡(luò)之外的區(qū)域，并請求相關(guān)學(xué)會(huì)和設(shè)備制造商將問卷推送到他們的郵箱列表中，以確保參與者的廣泛性和多樣性。盡管如此，我們收到的最終樣本的人口學(xué)偏差仍值得注意：大多數(shù)受訪者在北美或歐洲的大學(xué)工作，中低收入國家的受訪者寥寥無幾；擔(dān)任高級職務(wù)的受訪者大多為男性；僅有很少一部分受訪者是臨床工作者或硬軟件工程師。
如果我們的樣本不能夠合理反映EEG研究領(lǐng)域的人口學(xué)偏差，那么這種代表性不足可能會(huì)對EEG的科學(xué)和臨床重要性產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響——從理解基礎(chǔ)機(jī)制到干預(yù)措施以及基于證據(jù)的衛(wèi)生相關(guān)政策，皆是如此[9]。
好消息是，EEG領(lǐng)域已做好充分準(zhǔn)備來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。相關(guān)設(shè)備正變得越來越便宜、便攜、易用。這讓科學(xué)家和臨床醫(yī)生能夠與那些長期以來被排除在EEG研究之外的群體進(jìn)行接觸。同時(shí)，基于大規(guī)模代表性數(shù)據(jù)集的人工智能驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)，也有助于打破臨床操作者獲得培訓(xùn)和專業(yè)技術(shù)支持的巨大屏障。
我們相信，這些技術(shù)創(chuàng)新將成為推動(dòng)腦電技術(shù)普及化與包容性發(fā)展的關(guān)鍵引擎。我們對EEG的潛力感到無比激動(dòng)，它將助力我們揭開全社會(huì)健康與疾病狀態(tài)下的大腦功能機(jī)制。當(dāng)下正是推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域更具包容性和多樣性的大好時(shí)機(jī)。
因此，我們建議：
借助新型EEG設(shè)備的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性和便攜性，與少數(shù)群體社區(qū)開展合作。
構(gòu)建促進(jìn)臨床與科研全球化的國際合作網(wǎng)絡(luò)，通過培訓(xùn)體系與資源共享強(qiáng)化區(qū)域能力建設(shè)。
09 責(zé)任與倫理
當(dāng)前及未來技術(shù)演進(jìn)催生的新型倫理議題，這些問題與緊迫的社會(huì)挑戰(zhàn)相呼應(yīng)。EEG作為一種工具，在支持全民腦健康服務(wù)方面展現(xiàn)出巨大潛力[5]。此外，我們共同的預(yù)測表明，EEG可能在未來一代人融入日常商業(yè)技術(shù)中。在此進(jìn)程中，亟需構(gòu)建兼顧認(rèn)知自由與神經(jīng)隱私保護(hù)的監(jiān)管體系，在防范技術(shù)濫用風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)保障開放數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值[10]。
新型低成本、易獲取的消費(fèi)級設(shè)備的出現(xiàn)將帶來數(shù)據(jù)的激增，我們也必須考慮大規(guī)模數(shù)據(jù)采集（包括廢物管理）的環(huán)境成本，以及存儲(chǔ)和處理這些數(shù)據(jù)所需的計(jì)算資源，并找到一種支撐地球長期可持續(xù)發(fā)展的方法。
我們建議：
資助機(jī)構(gòu)、科研院所及個(gè)體研究者協(xié)同推進(jìn)環(huán)境友好型技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建涵蓋數(shù)據(jù)采集-存儲(chǔ)-處理的全鏈條綠色技術(shù)體系，提升已采集數(shù)據(jù)的共享復(fù)用率，最大限度降低EEG技術(shù)生態(tài)足跡；
建立腦數(shù)據(jù)公平獲取機(jī)制與敏感信息防護(hù)指南的倫理框架，制定配套法規(guī)保障神經(jīng)數(shù)據(jù)治理的倫理合規(guī)性。
盡管本文的作者應(yīng)該無緣見證百年后我們預(yù)測的成功與否，但我們相信，本項(xiàng)工作及相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)將成為科學(xué)記錄中的一個(gè)“時(shí)間膠囊”。同時(shí)，我們也意識到這些結(jié)果僅呈現(xiàn)學(xué)界認(rèn)知的局部圖景。我們歡迎更多人的參與：為了向從發(fā)現(xiàn)到公開發(fā)布這段時(shí)間致敬，本項(xiàng)調(diào)查將在未來五年內(nèi)持續(xù)開放，并且所有調(diào)查結(jié)果都將公開。值此新工業(yè)革命浪潮之際，我們希望這能為那些新生的、微小的聲音提供一個(gè)分享他們的愿景、擔(dān)憂和關(guān)切的渠道。
我們更迫切地呼吁整個(gè)神經(jīng)科學(xué)界——包括學(xué)術(shù)、臨床和工業(yè)界——響應(yīng)我們的行動(dòng)倡議，共同推進(jìn)穩(wěn)健、符合倫理、包容和可持續(xù)的發(fā)展路線，共同開啟EEG在科學(xué)與社會(huì)的百年新紀(jì)元。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41562-024-01941-5
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