在伯格的开山之作的基础上,后来的学者又成功地定义了伽玛波,即一种更快,每秒波动30-70次的脑电振荡。因为伽玛波的出现伴随着思考与意识,所以一直受到广泛的关注。
脑电波按其每秒波动次数(频率)来划分成五种(图1)。频率的单位是“赫兹”,即每秒钟波动的次数。五种脑电波分别用希腊字母,a(阿尔法),b(贝塔),g(伽玛), d(德尔塔)和q(西塔)来代表。其中 8-13 赫兹为阿尔法波,13—25赫兹为贝塔波,这两个波是汉斯·伯格最初在清醒人身上定义的,所以占了前两个希腊字母。伽玛波频率高于贝塔,大约在25-70 赫兹左右。因为幅度比较低而不容易在头皮外脑电上测到,但在脑组织中还是比较强的。西塔波(4-7赫兹)和德尔塔波(1-4赫兹)主要是在睡眠或麻醉中测到。其中德尔塔波是深睡眠的代表特征,对形成记忆和清除神经细胞周围的垃圾十分重要,因此也被称为“黄金”睡眠期。
图1 脑电波 (左上)脑电波可以用粘在头皮上的电极来测量。(右)四种不同状态下的脑电波。清醒并思考时出现贝塔和伽玛波(右上第一条曲线),头皮上测到的伽玛波很微弱(红色虚线圈中)。清醒闭眼时可以测到阿尔法波(右上第二条曲线)。瞌睡时脑电出现西塔波(右上第三条曲线)。深睡时出现德尔塔波(右下曲线)。左下为脑电按其频率的分类。脑电波非常微弱,电压只有普通电池的十万分之一左右(10-100 微伏)右下的垂直黑线代表100微伏的电压,水平黑线代表一秒钟的时间。
阿尔法波出现于清醒而不工作的大脑。当一个人静静地坐着不想事情,再闭上眼睛,大脑就会产生阿尔法波。因此阿尔法波像一个人没事抖腿一样,代表大脑不工作时的基本节律。这时如果您睁开眼或者想动一下身体,阿尔法波就会消失,转而出现贝塔和伽玛波。而如果从静息不动到犯困打盹,则脑电波会逐渐变慢,阿尔法波减少而西塔波逐渐加强。
检测脑电波
为什么像在永定门外听故宫里讲话这样的技术难题能被汉斯·伯格解开,并且在今天每一个普通医院都能重复呢?答案并不是由于技术先进,而是信号的来源不同。试想,宫女之间的悄悄话肯定是不能被远处的人听到的,但是如果是宫中文武百官齐齐地山呼万岁呢?几百米外就很可能被听到了。大脑皮层中的神经细胞数量高达几十亿,当百万千万个神经细胞齐齐发出电信号的时候,就有可能被头皮外的仪器检测到了。
所以,脑电波与神经细胞动作电位的区别是,前者是大群神经细胞的集体活动,而后者是单个神经细胞的信号。神经细胞的动作电位只能在神经细胞里面或细胞旁边测到。离开神经细胞0.1 毫米的距离外就基本测不到了。而脑电,因为是大群神经细胞产生,即使远隔1 厘米,被头骨和头皮挡住也能测到。另外,动作电位只持续大约千分之一秒左右,“啪”的一下就结束了。而脑电却是比千分之一秒慢得多的波动,这也是能被远距离测量到的原因。
不论清醒还是睡眠,脑电波时时存在。即使是在昏迷和高度麻醉的情况下也能检测到脑电。在临床上,没有脑电就是“脑死亡”的金标准了。如果把大脑比作一个城市,神经细胞比作市民,那么城市里绝大多数的通话都是在市民之间一对一进行的,很少有市民齐声大喊的情况。当然,说所有神经细胞齐声大喊并不确切。实际上,正常的脑电波只需要神经群体内百分之几的神经细胞同时活动。可以设想,在脑电波的一串波峰之中,每个波峰都由不同的神经细胞轮流活动而产生。一串波看似简单,但其参与成员的排列组合却极为复杂。
伽玛波的大谜团:它的功能是什么?
大脑不工作的时候出现的是比较慢的脑电波,而在思考的时候就一定伴随着比较快的伽玛波,思考停止,伽玛波也就消失,变成比较慢的阿尔法或西塔波。那么伽玛波的功能是不是让大脑产生思考能力呢?对此问题的回答,几十年来神经科学家分成旗鼓相当的两派,一派认为伽玛波有重要功能,另一派则认为它没有功能。为描述方便,