心理分析系统中脑电信号特征分析
2.1 脑电形成的生理生化基础
在静息状态，细胞膜内和膜外存在电位差。细胞膜内电位比膜外相对较低，为60~90mV。如果不给神经元任何刺激，则这一电位保持恒定，这种膜内外的电位差称为静息电位(resting potential，RP)或膜电位。膜电位的形成与细胞内外液的多种离子浓度有关。正常情况下，细胞内液中主要的正离子是K+，主要的负离子是有机酸根。细胞外液中，主要正离子是Na+，主要的负离子是CL-，细胞膜对离子的通透性具有一定选择性。在静止状态下，对K+通透性最大，CL-次之，对Na+的通透性很小，仅为K+的l/50，对有机物则完全不通透。
离子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此K+通过细胞膜向细胞外扩散，而细胞内的有机阴离子则留在细胞内。细胞外的Na+难于通过细胞膜向细胞内扩散，因此便形成细胞膜外正离子多，电位高，细胞膜内负离子多，电位低，膜内外电位这种极性的不同现象称为极化状态。由于膜内外正负电荷互相吸引，正负离子分别排列在细胞膜外和细胞膜内，因此在膜内外便形成了电位差，这便是静止电位。
当神经元兴奋时，细胞膜对离子的通透性发生改变，细胞膜对Na+的通透性选择地增高，因此Na+便由细胞外向细胞内扩散，使膜内正离子增加，并抵消了原有的膜电位，称为去极化，最后细胞内的电位甚至高于细胞外，此时产生的电位变化称为动作电位(action potential， AP)。当动作电位达高峰后，膜对Na+通透性减小，对K+的通透性又显著增加，于是K+向膜外运动，又恢复至膜外正，膜内为负的极化状态，称之复极化。在复极化过程中，借助细胞膜的Na-K泵作用，使以扩散至细胞内的多余的Na+转运到细胞外，细胞外多余的K+转运到细胞内。由于细胞膜两侧的溶液都是导电的，因此在兴奋和休止部分的神经段之间，就形成环形电流回路，这一环形电流回路使邻近部位原来处于休止状态的神经膜去极化，形成新的兴奋区。新的兴奋区又与下一个邻近部位间形成局部电路，如此反复，就使兴奋沿神经纤维传播。
神经冲动不是直接从一个神经元传至下一个神经元，而是以突触的形式进行联系的。当神经冲动由突触前神经元向突触后神经元传导至突触时，储存在突触小体内的传递介质(如乙酸胆碱，氨基丁酸等)被释放，通过突触间隙作用于突触后膜，传递介质与突触后膜中的受体结合，暂时改变了突触后膜对离子的通透性，使其膜电位发生变化，并产生局部电流，当局部电流达到一定强度时，兴奋便传给下一个神经元，此种电位称为突出后电位(postsynaptic potential，PSP)，如图2-1所示：
图2-1 神经传导
当突触小体内释放乙酞胆碱时，增加突触后膜对Na+， K+， CL+的通透性，但对Na+通透性最大，引起去极化性突触后电位，即兴奋性突出后电位，一个兴奋性突出后电位是膜电位的暂时性减少。如果突触小泡释放氨基丁酸，突触后膜对K+的通透性增加，引起突触后膜过度极化，称为抑制性突触后电位，一个抑制性突触后电位是膜电位的暂时性增加。在细胞不同部位的突触所产生的电位，被总和在细胞体的膜电位中。
大脑皮层电位的总和主要发生在皮层垂直方向排列的大锥体细胞。以下几个因素使这些神经元具有总和作用：
1、锥体细胞的树突几乎伸延至大脑皮层的各层，引导在皮层深层的细胞体及穿过皮层全厚度的位于更表层的树突的突触后电位所产生的电流流动。
2、这些神经元彼此紧密的平行排列，便于由每个神经元所产生的电流在空间总和。
3、这些神经元群接受同样的传入冲动及对冲动产生反应，有相同方向和同步的电位改变。由这些神经元所产生的电流总和在细胞外间隙。大多数电流限于皮层，少部分穿过膜、CSF及头颅到达头皮，引起头皮不同部分有不同的电位水平。这些电位差的波幅为10-100uV，可在两个电极间被记录，这就是EEG，如图2-2所示：
图2-2 EEG 图2-3 电位图
2.2 脑电的分类和特征
2.2.1 脑电信号的分类
脑电图反映了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，常用的分类变量有:频率、电压、形态、同步性、周期性等。按频带、振幅不同定义，一般可将脑电分为下面几种波， 波（频带范围8-13Hz，振幅25~100μV）、β波（频带范围14-30Hz，振幅5~20μV）、 波（频带范围0.5-3.5Hz，振幅 20~100μV）、 波（频带范围4-7Hz，振幅10-50μV），这三种是比较常见的，除此以外还有棘波、尖波、3次/S棘—慢波、尖慢波等等。
脑电波容易受到影响。正常脑波与年龄大小有密切关系，年龄越小，快波越少，而慢波越多，且伴有基线不稳；年龄越大，则快波越多，而慢波越少。但是，在50岁以后，慢波又继续回升，且伴有不同程度的基本频率慢波化。脑波更受到意识活动、情绪表现以及思维能力等精神因素的影响。
2.2.2 脑电信号的特点
1、脑电信号非常微弱，背景噪声很强。一般EEG信号只有50uv左右，最大100uv。因此脑电信号的提取与处理对检测系统、分析系统有很高的要求，包括要求有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等放大技术，能从强噪声中提取弱电信号的高质量滤波技术等。
2、脑电信号是一种随机性很强的非平稳信号。随机性强是由于影响它的因素太多，其规律又未被认识，它的规律只能从大量的统计结果中呈现出来必须借助统计处理技术来检测、辨识和估计它的特征。
3、非线性。生物组织的调节机能及适应机能必然影响到电生理信号，使其具有非线性特点。如何减少非线性带来的误差也是信号处理中需要注意的问题。同时脑电信号的频域特征比较突出，功率谱分析及各种频域处理技术在脑电信号处理中占有更重要的位置。
2.3 脑电与心理活动的关系
1、心理现象概述
心理现象包括心理过程和个性，其中心理过程又包括认知过程（感觉，知觉，记忆，想象，思维），情感过程和意志过程；个性有个性倾向性（需要，动机，兴趣，信念和世界观），个性特征（能力，气质，性格）。
2、心理现象的实质
（1）脑是心理的器官，心理是脑的机能；
（2）心理是客观现实主观和能动的反应。
心理学是研究人心理现象的科学，它的基本任务是探明心理活动的规律。通过脑电的如下关系，我们可以了解一些人的心理活动。
指数（ 波占全部脑波百分比，安静、闭目时为75%）可以作为情绪表现的指标，情绪稳定而思维广博的人， 指数较高;情绪不稳定而狭隘偏激的人 指数则甚低。 活动可以反映一个人的某些心理品质，如 节律优势者，易与人合作。
β波，它与精神紧张和情绪活动有关系。在兴奋状态时，成人脑电图以20~25次/s的低幅快波(β波)为主。在安静、清醒时出现8~12次/s的 波，闭眼条件下， 波更为明显。入睡过程中 波小，有时出现 波，完全人睡时则又出现14~16次/s低幅β波，并有 波，深睡时仅有 及 慢波，昏迷状态下全部为 波。
正常人来说，大脑在处于闭目休息状态时，均有 波出现，当人睁开眼睛或受某种刺激时， 波会立即消失而呈现快波，这一现象称为 波阻断。人在困倦时一般可出现θ波。成人在清醒状态下，几乎没有δ波，但在睡眠期间，皮层脑电可以出现δ波，癫痫病患者，其脑电图呈现棘波、尖波、棘慢综合波等。40Hz的节律在人精神高度集中时出现，一般认为与人的智力活动有关。
