在上周六，崔旭老师举办的NIRS知识活动中，刘宁老师出的一道题目“除了fNIRS，列举2种常见的无侵入测量脑信号的技术 ”，我很感兴趣。当前技术中，理解大脑活动的技术设备多种多样，但是在每种技术手段中都有一些不可避免的缺点。

今天我们就来谈谈EEG vs fMRI vs fNIRS这几种技术的工作原理及技术参数比较。

什么是脑电图？

•EEG is the electrical activity,which is normally recorded at the scalp of human brain,generated by the firing of neurons with in the brain.

脑细胞无时无刻不在进行自发性、节律性、综合性的电活动。将这种电活动的电位作为纵轴，时间为横轴，记录下来的电位与时间相互关系的平面图即为脑电图（electroencephalograph，EEG）。——来自彭薇薇老师

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？

对于MRI的知识，小编能力有限，这里很多的知识是参考网络的知识。

MRI（磁共振成像）提供了大脑的图谱 – 它如何在一个固定的时刻观察。

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，但我们会在这里给您一个概述。

顾名思义，磁铁是磁共振成像的核心，但相当强一些 – 比普通冰箱磁铁强约1000至3,000倍。来自MRI的磁场与氢原子中的质子相互作用（当然，我们70％的水是非常方便的 – 磁体有足够的氢原子影响）。通常，这些质子面向随机方向，但磁场使它们中的很大一部分在同一方向上对齐。所以，我们躺在核磁共振成像机器中，氢原子中的质子（在我们体内的水中），大多数指向相同的方向。对于下一步，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，由于射频只发生了一会儿，质子放松回到它们的对齐状态。

这是关键的一点 – 随着质子放松，能量被释放，可以通过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样子，并向我们展示组织的图像。

当然，MRI只向我们展示了大脑的静态图像 – 一个解剖图像，而不是大脑的实际活动。那么我们如何才能获得大脑活动的图像呢？这就是fMRI的用武之地。

什么是fMRI？

如果我想移动我的右臂，需要做一些事情。一个我的大脑的某些部分将增加其活动发送消息来完成这个动作，而大脑的该区域将得到不断所谓稍微富含氧气的血液。

对于fMRI，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氧合血流量的变化情况。

如果大脑的一部分与其他部位相比有更多的含氧血液，那么这个大脑区域可能更活跃。这被称为血氧水平依赖性反应（也称为BOLD）。

这是我们用fMRI看到的数据，通常在MRI图像上可视化。

fMRI的一个缺点是时间分辨率。由于血流需要几秒钟的变化，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多次暴露于刺激，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，第二次刺激开始后10ms，等等时记录响应）。

这当然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。——来源Imotion

什么是fNIRS？

•It is a form of optical imaging used to measure superficial cortical hemodynamics.

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。

关于近红外脑成像的原理可参看《近红外脑功能成像基础》和《 光学近红外脑成像原理》

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。

这几种技术如何进行比较？

正如上面所阐述的一样，每种技术在测量脑区活动时都会存在一些差异。

当然在技术受限的前提下，还需要考虑其它事项，比如设备成本和学习技术的难度，这将决定你能否使用好这种技术的关键所在。

你将在下面的图片中看到几种技术的对比

你应该如何选用何种技术来进行测量脑区？

  1. 首先取决于您的研究需求，您的研究需求是最大支持您学习的动力。
  2. 如果您的研究中关注脑区的结构和功能作用，同时关注空间的变化，则fMRI应该是您的首选。
  3. 如果您的研究想要更容易，更自然的了解大脑的功能，同时关注时间的变化，则EEG设备应该是您的首选。
  4. 如果您的研究既想关注在时间分辨率，又想关注在空间分辨率，同时在自然环境下，我想fNIRS设备是您的不二之选。

当然，对于这几种技术的比较，并不是简单的这些，更多的是取决于您对研究的需求和便利。另外，在越来越的多模态研究中，EEG-fNIRS、EEG-fMRI、fNIRS-fMRI以及EEG超扫描和fNIRS超扫描也是相应的使用，这为解开大脑功能提供了更多的可能性。

来源：陈锐CR BrainTechnology