每個腦電圖（EEG）都基於同一個基本前提運作：大腦內部產生的電活動會向外穿過組織、顱骨和頭皮，並在頭皮表面被放置的感測器接收。該讀數的準確性很大程度上取決於您使用了多少個感測器以及將它們放在哪裡。
10-5 電極系統的出現正是為了以數學精度回答該定位問題，為研究人員和臨床醫生提供了一張擁有 300 多個可能記錄點位的標準化地圖。這與自 1950 年代以來一直作為臨床腦電圖基礎的原版 10-20 系統中所使用的 21 個位置相比，有了顯著的增加。
什麼是 10-5 系統？
10-5 系統是電極放置標準演進中的第三個，也是最為精細的階段。它始於 10-20 系統，該方案圍繞著將頭部劃分為經過測量的百分比區間來構建，以便電極位置在不同的頭部尺寸和不同實驗室之間保持一致。
隨著 EEG 研究需要更精細的細節，特別是對於區分相鄰大腦區域等任務，10-10 系統應運而生。它通過在原始 10-20 位置的中間增加點，使電極數量增加了一倍，產生了約 74 個位點。
10-5 系統將同樣的減半邏輯更進一步。它再次細分 10-10 區間，在整個頭皮上產生了 300 多個命名的位置。
其核心思想是，與其在分散、間距寬的點上採樣大腦電活動，不如在整個頭部表面構建一個密集、分佈均勻的網格。 這與其說是取代了 10-20 或 10-10 系統，不如說是對它們的延伸。
10-5 EEG 系統的解剖標誌與坐標計算
四個標誌錨定了整個系統：
鼻根點（Nasion）部位於鼻樑處，即前額與鼻骨相交的地方。
枕外隆突（Inion）是頭顱底部、後腦勺處摸到的小骨突。
左右耳前點（Preauricular points）位於雙耳正前方，顴骨上方的小凹陷處。
這四個點在幾乎所有人類顱骨上都是可以觸摸到的，這就是為什麼它們被選為整個測量系統的幾何基礎。
技術人員從這些標誌出發，進行一組標準測量：
矢狀弧：從鼻根點跨過頭頂測量到枕外隆突
冠狀弧：在頭頂部橫跨左右耳前點
頭圍：水平環繞所有四個主要標誌
每個弧線都分為基於百分比的段，以放置電極
這些固定的測量值確保網格能夠適應任何頭部尺寸
一旦測量了這些弧線，命名邏輯就會通過簡單的劃分顯現出來。10-20 系統將每個弧線分成以總弧長百分比測量的段，通常以 10% 和 20% 為步長，這也是該系統名稱的來源。這產生了經典的 21 電極佈局，該佈局目前仍用於許多標準臨床記錄中。10-10 系統將每個百分比區間切成兩半，大約將分辨率提高了一倍，並將總電極數推高至約 74 個。
10-5 系統將減半過程再重複一次，再次分割 10-10 區間。其結果是一個擁有 300 多個位置的網格，在平均成人頭部上間隔大約 2 到 3 釐米。
命名慣例本身將位置信息直接編碼到每個電極的標籤中。字母對應於大腦的底層葉：Fp 代表前額極，F 代表額葉，C 代表中央區，T 代表顳葉，P 代表頂葉，O 代表枕葉。數字以及更密集的 10-5 命名方案中的附加下標或撇號，表示該位置與中線的距離佔弧距的比例。
標有低數字的電極靠近頭部中心，而較高數字的電極則推向顳部和耳部。這意味著一旦您理解了編碼邏輯，光是電極的名稱就能幾乎準確地告訴您它在頭皮上的位置，而不需要圖表。
改進的空間採樣：為什麼越密集越好
當大腦電活動到達頭皮時，其表現就像是一個由許多不同尺度的重疊空間圖案組成的信號。
有些圖案是寬而平滑的，輕輕地散佈在頭部的大片區域。其他圖案則要緊密得多，從一小塊頭皮到下一塊頭皮發生劇烈變化。
為了在不遺漏任何內容的情況下捕捉完整畫面，傳感器需要放置得足夠靠近，以檢測這些空間圖案中最小的圖案。如果傳感器間距太大，精細的細節就會被完全遺漏，或者更糟的是，被誤讀。這種通用的採樣問題在信號處理中被稱為奈奎斯特準則（Nyquist criterion），這也是電極密度至關重要的根本原因。
標準的 10-20 間距在平均成人頭部上放置電極的間距大約為 6 到 7 釐米。這個間距太寬，以至於會模糊或完全遺漏底層電場中更精細的空間圖案。10-5 系統 2 到 3 釐米的間距更接近解析這些精細圖案所需的空間採樣率，接近通常所說的頭皮記錄 EEG 的空間奈奎斯特極限。
緊密間距好處的直接證據可以在 Robinson 等人的研究中看到，該研究將研究人員稱為“超奈奎斯特密度”（super-Nyquist density）的陣列與標準的“奈奎斯特密度”陣列進行了比較。
研究人員在枕顳區（與視覺處理相關的大腦後部和側部）使用 128 個間距僅為 14 毫米的電極，在參與者觀看旨在產生獨特、可追蹤的大腦反應的閃爍棋盤圖案時記錄了 EEG。當他們將完整的高密度陣列與相同電極的較稀疏子集進行比較時，高密度陣列的表現始終優於稀疏陣列。
作者報告稱，“SND EEG 從視覺皮層捕捉到了更多的神經信息”，並且閃爍刺激“在時間和頻域上，使用 SND 的分類都比 ND 陣列更準確”。與稀疏記錄相比，密集記錄也與初級視覺皮層活動的計算模型更一致。
這一發現局限於一個大腦區域而非整個頭部，但它表明，原則上更緊密的電極間距可以捕捉到較寬間距根本無法解析的皮層活動空間和時間特徵。
源定位取決於傳感器密度和覆蓋範圍
密集地記錄信號只是挑戰的一半。臨床醫生和研究人員經常希望從頭皮記錄中進行逆向推導，以估計信號起源於大腦內部的哪個位置，這一過程稱為源定位。這個逆向工程問題在數學上很困難，其準確性直接取決於有多少表面數據輸入其中。
一項專門針對這一問題的基於模擬的研究探討了傳感器密度和頭部覆蓋範圍如何影響源定位估計的準確性。研究人員使用模擬數據和真實的癲癇樣 EEG 記錄（意指與癲癇發作相關的電放電相關的大腦活動模式），在不同的源深度測試了幾種常用的反向建模技術。
其結果是直接的：“更高的傳感器密度能提高源定位的準確性。”
同樣重要的是，研究發現覆蓋範圍對準確性的影響獨立於密度。在下表面（頭部較低部位，靠近耳朵、太陽穴和顱底）增加電極樣本，“能提高所有深度源估計的準確性”，而不僅僅是位於該較低區域附近的源。
該研究的總體結論將這兩個發現結合在一起：“當在頂表面和底表面都進行密集的電壓表面採樣時，可以獲得最準確的源定位。”
這是一個很有意義的細節，因為標準的 10-20 腦電帽傾向於將覆蓋範圍集中在頭頂，而使下頭皮區域相對稀疏。完整的 10-5 陣列本質上同時解決了這兩個要求，因為它的坐標系統將覆蓋範圍向下延伸到下表面，同時結合了更精細定位所需的密度。
高密度 EEG 的應用
廣泛地說，採用高密度佈局擴展了實驗室和床邊觀察的能力。通過實現電波傳播的精確三角測量，這些系統幫助研究人員理解定義認知的神經放電模式的快速轉變。
神經科學研究與診斷
在神經科學領域，對精確度的追求往往決定了研究方法。高密度陣列可以檢測認知任務期間發生的細微拓撲變化，為研究人員提供神經網絡在特定刺激條件下如何組織的證據。
這些陣列能有效地繪製導電通路，協助開發解釋遙遠大腦區域如何通過同步振盪進行協調的模型。
腦機接口 (BCI)
BCI 應用需要對指令驅動的思想模式進行持續且穩定的檢測。通過使用增加數量的傳感器，BCI 開發人員可以從廣義的背景干擾中分離出特定的運動相關信號成分。
這種信號隔離的精細化提高了外部假肢設備和數字通信工具的控制精確度，因為系統可以辨別更小、更局部的運動意圖特徵。
高密度腦電帽的臨床應用與監測
在臨床環境中，使用高密度腦電帽以更高的準確度測量癲癇發作灶。在某些情況下，臨床醫生必須使用 參考導聯 EEG 指南中描述的方法來評估電狀態的穩定性。
放置妥當的高密度檢測帽可以對這些參考信號進行更細緻的解讀，幫助臨床醫生精確定位局灶性癲癇或認知處理障礙患者的異常活動源。
比較神經科學研究中的高密度 EEG 設備
在進行研究時，通常需要評估哪種採樣密度在採集複雜性與所需的科學保真度之間提供最佳折中。下表說明了常見實驗配置中電極採樣密度的一般差異。
系統類型 | 電極數量 | 典型空間分辨率 | 最適用於 |
|---|---|---|---|
10-20 標準 | 21-32 | 6-8 釐米 | 常規監測 |
中等範圍 | 64-128 | 3-4 釐米 | 臨床篩查 |
全高密度 | 256+ | < 2 釐米 | 源定位研究 |
這一比較突出了為什麼優先考慮空間細節的研究人員在進行複雜的定位研究時，往往更青睞完整的高密度陣列。通過最小化傳感器之間的間隙，數據變得更適合進行先進的數學建模，從而可以精確區分在較低分辨率記錄中可能會重疊的皮層源。
高密度 EEG 是否能檢測到皮層下活動？
關於高密度 EEG 陣列，最具爭議的說法之一是它們是否可以捕獲來自大腦深部結構（遠在皮層以下）的信號，傳統上認為標準 EEG 對這些結構幾乎沒有敏感性。因此，一項 2019 年的研究直接將高密度頭皮 EEG 與從植入丘腦正中和伏隔核（參與協調更廣泛大腦網絡活動的兩個結構）的深部腦刺激電極中獲得的顱內記錄進行了對比。
由於本研究中的深部腦刺激電極是暫時外置的，即在連接到其永久性內部刺激器之前可用於記錄，研究人員能夠在三名患者閉眼休息狀態下，同時記錄這些深部顱內位點和 256 通道高密度頭皮 EEG。然後，他們對頭皮數據應用了源重建技術，並將產生的信號與實際的顱內記錄進行了比較。
結果顯示，源自顱內和 EEG 源重建大腦信號的 alpha 包絡線（指 alpha 頻段大腦節律的緩慢起伏模式）之間存在相關性。值得注意的是，“在實際記錄位點附近的源信號中發現了最高的相關性”，這意味著基於頭皮的估計在與真實顱內電極放置相匹配的深度和位置上最為準確。研究人員得出結論，這提供了頭皮 EEG 確實可以感知皮層下信號的證據。
然而，這應該被視為在三名患者處於一種行為狀態下的微小概念驗證演示。它支持了高密度陣列源成像可以將敏感性延伸到皮層表面以外的觀點，但並未確定這種敏感性在更廣泛的人群或條件下有多可靠或多可重複。
將密集陣列應用於癲癇樣放電定位
在癲癇評估的背景下，10-5 系統的臨床案例顯著更加清晰，在這些評估中，確定異常電放電的精確來源可以塑造關於手術治療的決策。前文提到的基於模擬的源定位研究明確地將其模擬結果延伸到真實的癲癇樣 EEG 數據中，檢查了傳感器密度和覆蓋範圍在癲癇樣 EEG 源定位中的影響。
因為該研究更廣泛的發現是，更高的傳感器密度和下表面覆蓋範圍都能獨立提高源估計的準確性，且在針對實際的癲癇樣記錄（而非僅模擬數據）進行測試時這也同樣成立，這為 10-5 系統的臨床應用案例搭建了直接的證據橋樑。
在術前癲癇評估中，這轉化為更精確地描繪刺激區（ seizures 之間產生異常放電的皮層區域），這可以為是否進行以及在何處進行侵入性監測或手術提供決策依據。在臨床和研究界，這一優勢經常被討論為在癲癇中心使用 10-5 或同等密度 EEG 導聯方案的主要理由。
高密度 EEG 的未來
高密度記錄技術的未來進展可能會集中在電極組件的微型化上。隨著硬件變得不那麼繁重，研究人員將能夠更容易地在移動的真實環境中進行高分辨率記錄。這種便攜性將使高密度採集從靜態的實驗室環境過渡到流動背景，在自然條件下研究人類行為，而不會受到傳統、笨重電極裝置的限制。
同時，實時機器學習算法的集成將改變原始數據的處理方式。現代系統正在被設計為以极低的延遲動態地解碼神經活動，而不是依賴於回溯分析。這種能力將為神經康復方案和自適應 BCI 路徑提供即時反饋，使系統能夠根據被記錄個體的特定電特性來調整其信號處理參數。
最後，保持低阻抗的乾電極材料的開發將進一步徹底變革這些系統。通過消除對導電凝膠的需求，高密度腦電帽的安裝時間將從幾小時減少到僅僅幾分鐘，顯著降低了長期監測的門檻。
這種向快速應用硬件的轉變，有望使密集陣列腦成像在臨床診斷和縱向認知研究中成為一種普遍實踐，從根本上改變我們對人類神經連接的理解。
結論
10-5 系統提供了一個完全由可測量的解剖標誌構建的標準化坐標框架，將熟悉的 10-20 和 10-10 系統推廣到由 300 多個電極位置組成的網格中，這些位置的間距大約為 2 到 3 釐米。這種密度使頭皮 EEG 記錄更接近捕捉大腦表面產生的精細電學模式所需的空間分辨率，這一原理根植於通用神經科學和信號處理理論中。
討論的證據表明，更密集的採樣結合下表面覆蓋範圍在模擬和真實的癲癇樣數據中都提高了源定位的準確性。高密度陣列與源重建技術相結合，已顯示出與直接從深部腦結構記錄的皮層下活動相關的、可測量的（儘管是初步的）能力。在視覺皮層上進行的超高密度記錄比相同陣列的標準密度子集捕捉到了更多可用的神經信息。
總之，這些發現為 10-5 系統在癲癇樣放電定位和精細認知神經成像等任務中的價值，建立了合理的理論和早期經驗案例。
參考文獻
Robinson, A. K., Venkatesh, P., Boring, M. J., Tarr, M. J., Grover, P., & Behrmann, M. (2017). Very high density EEG elucidates spatiotemporal aspects of early visual processing. Scientific reports, 7(1), 16248. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16377-3
Song, J., Davey, C., Poulsen, C., Luu, P., Turovets, S., Anderson, E., ... & Tucker, D. (2015). EEG source localization: Sensor density and head surface coverage. Journal of neuroscience methods, 256, 9-21. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2015.08.015
Seeber, M., Cantonas, L. M., Hoevels, M., Sesia, T., Visser-Vandewalle, V., & Michel, C. M. (2019). Subcortical electrophysiological activity is detectable with high-density EEG source imaging. Nature communications, 10(1), 753. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08725-w
常見問題解答
什麼是 10-5 EEG 系統？
10-5 系統是一種標準化的電極放置網格，它將頭皮細分為 300 多個具名位置，間距大約為幾釐米。它擴展了較舊的 10-20 和 10-10 系統，以提供對大腦電活動更密集的採樣。
10-5 系統是如何在 10-20 系統的基礎上構建的？
10-20 系統使用基於百分比的區間來劃分頭部，以定義 21 個標準位置。10-10 系統將這些區間減半，而 10-5 系統再次將它們減半，在保持所有原始標誌的同時創建了一個更精細的網格。
哪些解剖標誌錨定了電極的放置？
四個可觸摸的點——鼻樑處的鼻根點、顱骨底部的枕外隆突、以及耳前的左右耳前點——用作固定參考點。所有電極位置都是通過測量這些標誌之間的弧度計算得出的。
為什麼更密集的電極間距對 EEG 如此重要？
大腦電活動模式在微小的頭皮區域內可能有所不同，由於奈奎斯特採樣原理，間距寬的電極可能會遺漏精細的細節。更密集的間距可以捕捉到這些更小的空間模式，從而實現更準確的記錄。
10-5 系統如何改善源定位？
源定位估計信號在大腦內部起源於何處，其準確性取決於是否擁有許多測量點。更密的採樣結合對下腦部的覆蓋，提高了在所有大腦深度進行這些估計的精確度。
高密度陣列 EEG 能否檢測到來自深部腦結構的信號？
一項小型研究同時記錄了頭皮和植入的深部腦電極，顯示出這兩種信號之間的相關性。這提供了頭皮 EEG 可以感知皮層下活動的直接證據，儘管仍需要更廣泛的驗證。
更高的電極密度是否總是能提高記錄質量？
增加的密度為空間建模提供了更多的數據，但它也增加了數據處理的複雜性以及阻抗問題的風險；質量取決於正確的應用和清晰的信號管理。
高密度腦電帽面臨哪些具體挑戰？
主要挑戰是較大陣列的應用時間，以及為了清潔建模而同時處理數百個通道所需的計算工作量增加。
Emotiv 是一家神經科技領導者，透過可近用的 EEG 和腦部資料工具，協助推動神經科學研究進展。
克里斯蒂安·布戈斯
