EEG vs MRI vs fMRI vs fNIRS简介

什么是EEG(脑电图)？

脑电图(EEG)是一种生理学方法，用来记录大脑通过放置在头皮表面的电极产生的电活动。

为了更快的应用，电极被安装在与浴帽类似的弹性帽中，确保所有受访者的数据可以从相同的头皮位置收集。

EEG信号的测量，这对于快速确定大脑活动如何响应刺激而变化是有用的并且还可用于测量异常活动，例如癫痫。

EEG设备如何工作？

EEG信号的形成主要由大脑皮质锥体细胞顶树突的突触后电位变化的总和形成，这是神经元网络放电相互进行传导产生的。当产生的电信号越强，这就说明脑部活动越强烈。

EEG设备的电极不能单独的测量某个神经元放电的，而是同时测量数千个神经元簇放电的结果，然后通过EEG设备的放大器将信号放大，进行数字化描述记录到软件中，进行数据采集。

EEG设备的一个缺点是空间分辨率 - 由于电极测量大脑表面的电活动，很难知道信号是在表面附近（在皮质中）还是在更深的区域产生的准确性。当然也有人通过计算的方法将采集的EEG信号进行反演到脑区位置，这是可能的，但这也不是绝对的精确。

什么是MRI(磁共振成像)？

MRI(磁共振成像)提供了提供了大脑图谱-在设定的时间点它的外观。
这种结构信息可用于确定某些大脑区域的大小如何在人与人之间进行比较或者特定大脑（例如肿瘤）是否存在异常。

MRI如何工作？

MRI是一种复杂的成像方法，在这，我们会进行简单的概述。
顾名思义，磁铁是磁共振成像的核心，但强度要高的多-比普通冰箱磁铁强约1000至3,000倍。MRI产生的磁场与氢原子中的质子相互作用（而我们身体大约有70％的水，这是非常有用的 - 磁体会影响到很多氢原子）。

通常，这些质子的面向是随机的，但加入磁场后，在磁场的作用下，它们中的很大一部分在同一方向上排列。所以，当我们躺在核磁共振成像机器中，氢原子(这些氢原子位于我们体内的水中)中的质子会指向大致相同的方向。

而接着，发射无线电脉冲(就像普通的无线电信号一样，速度更快)，这也会与质子相互作用，基本上将它们转向侧面。但是，由于射频只发生了片刻，质子便会松弛回到它们之前的对齐状态。

随着质子松弛，能量被释放，会被MRI机器中的传感器检测到。通过一些计算，计算机可以根据释放的能量确定组织的外观，并向我们展示组织的图像。原理如下图所示：

当然，MRI只向我们展示了大脑的静态图像 -解剖图像，而不是大脑的实际活动。想要获得大脑活动的图像，这就需要使用fMRI的技术了。

什么是fMRI(功能磁共振成像呢)呢？

如果一个人想移动他的右臂，则需要做一些事情：他的大脑的某些部分将增加其活动能力，发送消息以完成这个动作，而大脑的该区域将会接收到比以前稍微多的富含氧气的血液。

对于fMRI而言，同样的事情发生在MRI上-测量质子弛豫释放的能量 - 但计算的目的是确定含氧血流量的变化情况。

如果大脑的一个部位比其他部位有更多的含氧血液，那么大脑的这个区域可能更活跃。这被称为血氧水平依赖性(也称为Bloodoxygen level dependent, BOLD)。

这是我们在fMRI看到的数据，通常可以在MRI图像上看到。

fMRI的一个缺点是时间分辨率。由于血流变化需要几秒钟的时间，并且实际记录受到计算因素的限制，因此数据收集速度变慢。

这通常意味着参与者会多次受到刺激，并且每次记录他们的大脑反应的不同时间点（例如，在第一次刺激开始时记录反应，在第二次刺激开始后10ms记录反应，等等）。
这可能会破坏记录新反应的准确性，但确实提供了全方位的大脑反应。

它们是如何比较的?

正如我们在上面所介绍的，每种技术提供大脑成像信息的方式有几个不同之处。

还需要考虑其他(比如成本)——MRI核磁共振成像机的成本比EEG(脑电图成像机)要高得多(无论是购买还是维护)，而且所需的培训水平也要高得多。

用MRI / fMRI进行现场工作也不会发生，因为它们不够便携。

用脑电图进行实验也不需要太多麻烦——有时只需戴上耳机，检查数据质量。自动计算的指标还可以通过脑电图快速了解人类行为。

我们在下表中列出了每种方法的优缺点。

什么是fNIRS(功能性近红外光谱法)？

fNIRS是指将近红外光谱法(NIRS)用于功能性神经成像的目的。使用fNIRS，可通过与神经元行为相关的血液动力学反应来测量大脑活动。它是一种使用光谱法测量大脑神经活动水平的神经成像方法。

fNIRS对大脑激活的血液动力学反应敏感。该技术还具有区分氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白变化的能力。该设备已成功实现为BCI系统的控制信号。

功能性近红外光谱技术是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似，即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性，来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化，即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。

例如，当让受试者做右手手指运动任务时，其大脑皮层左侧运动放电，消耗氧和能量。此时，脑部血供系统的过补偿机制会向该局部大量输入含有丰富氧合血红蛋白的血液，从而导致该局部的氧合血红蛋白浓度增加，脱氧血红蛋白下降。fNIRS实验中，实验者让被试按照一定实验范式执行任务，同时使用fNIRS观测大脑不同位置的血红蛋白度的浓度变化，如果找到了某一脑区，其血液动力学活动与该任务设计相关程度很高，即可推断该脑区被实验任务激活。

fNIRS是如何工作的？

它探测的主要生理参数：组织中吸收色团（如HbO2、Hb、totalHb等）的浓度变化。

通过放置在我们大脑头上的光源和探测器进行局部血流信号的测量。

这通常意味着测量脑区的大小，取决于光源和探测器的排布以及设备的支持。fNIRS在这几种技术中最大的优势在于其时间分辨率比fMRI技术快，空间分辨率比EEG技术大，还有更重要的特点在于其便携性和伪影干扰小。

参考：
EEG vs MRI vs fMRI vs fNIRS简介
https://imotions.com/blog/eeg-vs-mri-vs-fmri-differences/
脑人言

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