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实验:来自人脑的脑电图记录

你看到了来自单个神经元、心脏、肌肉甚至植物的尖峰。在这里,最后,我们解决了许多追求,经常被误解的神经科学信号:脑电图(EEG)。看看你自己大脑的电节奏!试着利用他们!

时间1个小时
困难先进的

你会学到什么?

通过这个实验,你将了解到数以亿计的神经元之间的“广泛交流”,你将通过视觉皮层的阿尔法节律观察到这一点,无论光线是否存在。你会瞥见你大脑的电活动。

先决条件的实验室

  • 心脏动作电位-你应该对arduino平台有一个基本的了解,以及如何使用心脏和大脑SpikerBox来记录你的心跳,然后再继续这个更有挑战性的实验,记录你自己的脑电图大脑节律。


背景

你头上的头盖骨和皮肤保护着你宝贵的、奇妙的大脑,但它们是极好的电绝缘体,因此很难记录人类大脑中的单个神经元。要做到这一点,你需要在颅骨上钻孔,并将电极直接插入大脑,只有在患有顽固性癫痫或肿瘤的病例绝对必要时,才会做这种手术。要记录单个神经元,你的电极必须保持直接联系和神经组织。因此,我们用蟑螂腿的神经来展示神经电活动。如果你想记录人类视觉皮层神经元(位于你脑后)对光的反应……

然而,当广泛的神经元系列都同时做同样的事情时,我们可以看到这种“同步”活动,电极放置在头部背部的头部表面上。当你闭上眼睛时,你的视觉皮层没有从眼睛(只有黑暗)接收复杂的信息,并且Visual Cortex进入一个称为“Alpha”的同步的空转模式,这足以让我们无法侵入地检测它。

大脑中的同步和数据处理之间的关系很难理解,这与信息理论有关(你可以深入研究我们的英雄Claude Shannon工作学习更多),但通常,大脑中的神经元越同同步,还有较少的数据处理。这导致了悖论,即我们可以在头皮表面上录制的电信号越强,你大脑正在做的较小的事情(如深睡眠)或我们有危险情况(如癫痫症 - 所有神经元在一个地区正在快速射击,同时射击,导致抽搐和更危险的后果)。

通常,当你高度集中时,你大脑中的许多神经元正在计算许多不同的事情。大脑的“信息容量”很高,神经元之间会发生许多不同的对话。这在脑电图中表现为非常微弱的信号,很难从中提取意义。想象一下,在一个中场休息的体育场里,每个人都在互相交谈。如果你在体育场外面,你所听到的只是一种无形的嗡嗡声。有很多有趣的事情(可能)正在被谈论,但你无法察觉它在场外。

然而,想象一下当体育场里所有的参与者都在做同样的事情,比如唱国歌。我们当然可以在体育场外听到这首歌,尽管有点失真。这与你深度睡眠时大脑产生的慢波或你闭上眼睛时视觉皮层产生的α波类似。

我们能在球场外探测到的最大声的事件是当一个“进球”发生时,体育场内的一大群人同时非常大声地尖叫。当你大脑中的大量神经元这样做(所有的动作电位同时触发),这就叫做癫痫,这是非常危险的。

通过国家国歌和目标事件,我们可以说体育场的人们非常“同步”,“低信息”。我们可以在大脑中观察类似的同步,但我们不需要去睡眠(这是另一个实验......保持调整)或体验癫痫症事件。我们可以将电极放在头部后面,并在打开或闭上眼睛时观察视觉皮质的电活动。当你闭上眼睛时,有很少的信息被发送到你的视觉皮层(它是黑暗的)。什么结果是Visual Cortex进入一个同步状态,称为“alpha节奏”,我们可以使用我们的新功能观察心脏和大脑尖刺箱。这些“阿尔法波”是德国科学家汉斯·伯杰于1924年首次观测到的(在1929年出版)。

这个理论

那么我们在脑电图(EEG)中实际记录是什么?我们在脑皮质上层的上层观察神经元的“振荡慢田”:特别是兴奋性突触后电位。这些后突触后潜力是神经元突触中神经递质结合引起的电势的小变化。电势导致神经元的这些变化更可能或更容易发射动作电位,并且在编码大脑中的信息方面很重要。如果你想走下兔子洞,核心参考是精致和挑战“Mitzdorf 1985。"

如果在你的大脑的同一区域发生了许多EPSP,例如当你的眼睛关闭并且视觉皮质神经元都在相同的“怠速”状态时,我们可以观察这些EPSP的加入脑电图。

有趣的是,著名的埃德加·艾德里安勋爵,他是第一个将神经元的峰值活动与演讲者联系起来的人“听到”尖刺在1926年,是祖辈还是我们的工作,也就一般了显示视觉皮层的脑电图20世纪30年代早期,他在剑桥任教。我们以您为榜样,我们的主,尽我们的能力所能复制您。

下载

在你开始之前,确保你有伟德国际备用网址后院脑脉冲记录仪arduino.安装在计算机上的程序。Arduino“素描”是您使用Arduino Laptop软件安装在Arduino电路板上(如果您从美国购买Arduino,您的董事会预先安装),而后院大脑飙升唱片程序程序允许您在计算机上可视化和保存数据伟德国际备用网址做实验时。伟德国际安卓我们做了一个视频给你解释一下吧!

实验教程视频

印刷材料

如果你想要一个可以打印和涂鸦的PDF文档,或者一个可以编辑的谷歌文档,在这里查看这个打印资源库!

过程

在这个“脑电图介绍”实验中,我们将监测我们的视觉皮层电信号在正常照明的房间里眼睛睁开和闭上时的反应。

  1. 您首先需要将EEG头带放在上面。将时尚的物品放在头上,两个电极以头顶的顶部(在Visual Cortex上)上。电极的平滑侧应与头皮接触。这种实验即使有头发,也有用,但是将你的头发移动“走出”电极的方式会有所帮助。
  2. 在头带中的金属贴片下添加电极凝胶的电极凝胶。
  3. 现在,在你耳朵后面的骨头突出处(耳朵乳突)。在这个电极上加一些导电凝胶,然后再涂在耳骨上,可以提高你的信号的稳定性。
  4. 现在是连接电极的时候了!2015年夏天,我们的套装开始发货,有一个更简单的橙色电缆,有两个红色鳄鱼夹和一个黑色金属接地夹,而不是一个红色、黑色和裸金属接地夹。如果你用的是新的套装,把红色的鳄鱼夹放在你的脑后,把黑色的鳄鱼夹放在你耳后的地上。哪个红色在哪个位置并不重要。但是,如果你使用的是旧的工具箱,把裸露的金属夹放在耳朵后面,把红色和黑色的鳄鱼夹(同样,这也没关系)放在后脑勺上。
  5. 将你的橙色接口电缆插入心脑接线盒的橙色端口。
  6. 将USB电缆的一端插入心脏和脑尖峰盒,另一端插入计算机。
  7. 打开SpikeRecorder软件,在设置菜单中连接USB端口。再一次,因为这个放大器的滤波器设置是正确的家庭电气系统的最佳位置,你将必须非常警惕的噪音在这个实验。让你的笔记本电脑和SpikerBox远离任何电源插座,远离荧光灯等。另外,让你的笔记本电脑只靠电池供电。如果信号看起来过于嘈杂和不稳定,在头带电极和头皮之间添加更多的导电凝胶,在末端后面的电极上添加更多的凝胶。用上面的视频作为指导。
  8. 在尝试记录脑电图时持续放松 - 肌肉动作也可以拿起,这会导致干扰你的脑电图阅读(是的,我们知道,获得一个稳定的信号可能很困难,这就是为什么脑电是eeg是最后一个主要的身体我们解决的电气信号!)。
  9. 现在,睁开和闭上眼睛,每10秒交替一次。你闭上眼睛几秒钟后,阿尔法波就会出现。显然,和朋友一起做这个实验会更容易,也更有趣,因为当你闭上眼睛时,信号会出现矛盾。
  10. 要记录数据,可以按Spike Recorder软件上的红色录制按钮。
  11. 可以通过在录制期间按下数字来记录每个事件(即眼睛开口)。可以通过进入存储数据文件的Byb文件夹来更改事件标记名称

    并打开与该录音相关联的事件文件。这些数字可以被替换为您希望事件标记显示的任何内容(如Open)。保存您所做的更改。

  12. 你做完了!现在来探索大脑的其他节奏。请继续关注我们的“后院大脑”栏目,同时我伟德国际备用网址们也会进一步研究脑电图并尝试提取其意义。

讨论/进一步工作

  1. 分离脑电图和阿尔法节律的问题。看到我们的故障排除指南的技巧。
  2. 这是一个参考记录我们在视觉皮层上记录脑电图,来帮助你了解闭上眼睛和睁开眼睛是什么样子的。在。zip文件中是一个包含录音的。wav文件和一个包含眼睛睁开和闭上时间的。txt文件。将两个文件放在SpikeRecorder录音文件夹中,并在SpikeRecorder中打开.wav文件,用嵌入的标记来检查这些数据。
  3. 尝试这个实验,而不打开和闭上眼睛,但在你的房间里打开和关闭灯。此外,当灯光关闭时,尝试在黑暗中主动“看”。alpha节奏出现,消失等吗?你可以看看我们的第二个样品记录但也许你的数据会有所不同。
  4. 这个alpha真的在Visual Cortex中生成吗?尝试将头带移到头上,看看节奏是最强的。
  5. 像1934年的阿德里安一样,你可以试图用闪烁的刺激产生这个节奏吗?见上面的纸质链接。
  6. 你也可以记录其他节奏,比如运动节奏,但它们很嘈杂。你能孤立他们吗?我们也要努力。
  7. 试着在闭上眼睛的时候尽可能地放松或者思考复杂的视觉意象,当你闭上眼睛的时候,复杂的心理意象或者放松会影响阿尔法信号的强度吗?这个实验有很多观测问题。为什么你会这样认为?为什么这个问题很有趣?我们如何报告只有我们自己确定的内部状态(我们的思想)?
  8. 在睡眠中这个节律是怎样的?做的实验!
  9. 我们的SpikeRecorder软件被设计为易于使用,但如果你想黑一个接口,你可以修改我们的遗留处理草图,也保存和显示数据。在这里下载。要做到这一点,你需要使用一个不同的Arduino Sketch,您可以在此链接中找到
  10. 最后,脑电图很好测量,但新手可能会发现低信号强度令人惊讶。脑电图是一种较弱的电生理信号,保持静止(不要移动头部的任何肌肉)和尽可能减少噪音是很重要的。如图所示,脑电图信号强度与我们可以用心脏和大脑SpikerBox测量的其他信号相比。

笔记

*这条规则的例外是蚯蚓,因为它的多孔,潮湿的皮肤,它可以记录下刺外的蚯蚓铺设在电极导线。这是首次发现于1945年,并被多次复制,我们也是!(见图5在我们的出版物中)。这是我们发现在身体外面记录单一神经元活动的唯一示例。让我们知道如果我们缺少关键参考。

我们必须声明,我们不认为这是永远不会成功的,但我们决定在朋友们的敦促下尝试一下圣地亚哥MakerSpace在智利。谢谢你挑战我们奥斯卡,瓦伦蒂娜,加布里埃拉,还有弗洛!也谢谢Italo Ahumada Morasky是一个与我们密切合作的智利艺术家,说明这一具有挑战性的写作。

*智利国歌歌词

科学展览项目构想

  • 我们在这里说阿尔法节律真的不能反映一个人的想法,但这是真的吗?试着记录一个人在思考不同想法时的阿尔法节奏。有什么效果吗?为什么或为什么不?
  • 某些条件对alpha波的各个方面有什么影响?例如,年龄,男性和女性,他们睡了多少觉,他们最近是否喝了咖啡因。为什么你认为这些会有效果/没有效果?
  • 尝试从某人枕骨区域的不同部分录制。看到alpha节奏是否有最佳的展示位置?你仍然看到了这个安排有多远?
  • 尝试从某人头皮的不同部分录制。你看到其他类型的波浪吗?在眼睛睁开或闭着眼睛的情况下,大脑的其他部位有变化吗?
  • 如果您从某人录制并能够始终如一地获得alpha节奏,请尝试看到在闭上眼睛后看到节奏出现多久,并且在睁开眼睛后多久,节奏消失了。为什么每个人都可能是它是什么?