傳統的腦電圖（EEG）研究由於硬體要求複雜，主要仍局限於研究中心，這限制了測試情境以及重複的縱向測量。然而，新一代可攜式、研究級的腦電圖系統現在提供了在自然環境中對人類大腦活動進行頻繁且遠端測量的可行性。
什麼是可攜式腦電圖（Portable EEG）？
可攜式腦電圖（portable EEG）是一種腦電圖系統，旨在記錄頭皮的電活動，同時允許參與者或患者比使用傳統固定式設備更自由地移動。其核心測量原理保持不變：電極檢測與協調神經活動相關的微小電壓變化。改變的是其外形規格、電源配置、數據傳輸以及可以進行記錄的環境。
可攜式並不意味著記錄會自動達到臨床級別或適用於所有目的。通道數量、電極設計、採樣特性、參考配置、環境噪聲和偽影處理都會影響最終數據的實用性。因此，該術語描述的是一類設備，而非單一的性能水平。
可攜式 EEG 如何拓展至傳統研究實驗室之外
研究級可攜式 EEG 系統通常分為兩大類：
第一類涉及貼合身體輪廓的柔性電極陣列，而不是需要剛性電帽。通常是將少量電極印刷在柔性薄片上，並排列成 C 形以包裹在耳朵周圍。
第二類將傳統的電極帽與移動信號採集平台（如智慧型手機或平板電腦）相結合，從而無需桌上型電腦即可實現實時處理和數據流傳輸。
這些系統的決定性優勢在於時間耐受性和情境自由度。傳統的實驗室記錄通常持續三十到九十分鐘，並要求參與者幾乎保持靜止。
相比之下，由 Stopczynski 領導的一項驗證研究表明，參與者可以配戴兩個柔性的耳戴式電極陣列至少七個小時，同時進行日常活動。電極隱藏在耳後，帶來極小的舒適干擾且不會引起社交關注。
然而，生態效度（即在自然環境中收集的數據能更好地反映現實世界認知這一觀點）的吸引力不應被誇大。一項 2023 年對大腦穿戴式裝置的評論明確指出，雖然 EEG 穿戴式裝置提供了高質量的數據，且存在支持遠程收集的軟體，但廣泛採用仍需要解決額外的挑戰。
無干擾、全天候神經測量的願景是真實存在的，但實證基礎仍處於奠定階段。因此，研究人員應將這些工具視為實驗室系統的補充，而不是因為記錄發生在受控環境之外，就自動賦予其更高科學真實性的替代品。
耳塞式 EEG 感測器的實際應用
相同基礎概念的版本現在已作為面向消費者和研究的硬體推出。 Emotiv MN8 就是一個例子：這是一款內置於無線耳塞中的 2 通道 EEG 系統，使用位於左右耳道內而非分佈在整個頭皮上的乾燥、無毒導電感測器。
由於感測器位於耳內而非電帽下，因此設置不需要凝膠或頭皮準備，設備可以在一分鐘內配戴並開始傳輸數據。這種設置時間對於自然、全天的記錄場景至關重要，因為冗長的準備工作會違背無干擾、連續測量的目標。可更換的耳塞尺寸和可調節的耳掛解決了任何耳周系統都必須應對的個體貼合度差異問題。
該設備還體現了針對常見挑戰的幾種實用工程應對方案：
在兩個通道之間使用分裂參考，以幫助消除共享的環境電噪聲，這是對下方信號保真度討論中描述的干擾問題的直接回應。
內置的運動感測器與 EEG 信號一起記錄頭部運動，為後續分析提供了一種標記受運動偽影影響的時間段的方法，而不是將整個記錄視為均勻乾淨。
電池壽命額定長達六小時，使其與較長的動態記錄一樣屬於全天使用類別。不過，與任何穿戴式 EEG 系統一樣，特定研究的實際可用記錄時間應根據具體方案進行驗證，而不是僅憑規格表進行假設。
此外，這種規格的設備被明確定位於研究、健康和人機互動用途，而非作為診斷工具，且當需要高空間解析度時，雙通道耳塞系統不能替代高密度電帽。然而，在此範圍內，它說明了 EEG 硬體如何從參與者必須前往實驗室才能使用的設備，轉變為融入人們每天配戴的日常物品中。
可攜式 EEG 的硬體成本與信號質量
採用可攜式 EEG 的最大障礙之一是資金問題。高端穿戴式放大器提供出色的性能，但價格卻達到了研究級別，這給預算有限的實驗室帶來了可及性問題。成本較低、公開記錄的硬體已經出現以填補這一空白，並提出了一個自然的問題：更實惠的硬體能否提供在科學上站得住腳的數據？
一項 2023 年的系統性對比直接解決了這個問題，方法是將同款隱藏式耳戴電極陣列與兩種不同的放大系統配對：一款高端、研究級的無線放大器和一款成本較低、公開記錄的放大器板。
較低成本系統表現出與高端放大器高度相似的噪聲性能，這意味著較便宜硬體引入的背景電噪聲與較昂貴系統的背景電噪聲基本無異。這是一個有意義的發現，因為噪聲性能直接決定了是否能從原始記錄中提取微弱的神經信號。
權衡之處在於時間精度而非噪聲。較低成本系統的時間準確性略低於高端放大器。對於靜息態記錄或持續的認知任務（研究人員在數秒或數分鐘內分析寬頻譜功率變化），這種時間差異帶來的實際影響微乎其微。
但對於需要精確時間同步的範式，例如某些事件相關電位（ERP）研究，或依賴毫秒級延遲的腦機介面（BCI）指令，較低的精度就成為一個合理的擔憂。因此，這些領域的研究人員要麼接受這一限制，要麼投資於更高階的硬體。
此外，由 Knierim 等人進行的另一項獨立驗證研究通過成功複製實驗誘發的視覺刺激和心理負荷變化，證實了這種較低成本、耳戴式組合的實際可行性。該系統將公開記錄的電子元件與 3D 列印部件相結合，事實證明，儘管其預算友好，但仍能夠捕捉到功能性神經反應。
對於資金匱乏且設備成本往往決定可行性的研究環境而言，數據收集的這種普及化是具有重要意義的一步。它使資源有限環境中的實驗室能夠追求原本無法觸及的研究課題。
如何應對行動 EEG 中的信號保真度挑戰
從實驗室到自然環境的轉變引入了許多在屏蔽室內不存在或幅度小得多的信號質量挑戰。
由肌肉活動、眼球運動和電極位移引起的運動偽影。
來自電力線和個人電子產品的環境電磁干擾。
在耳周而非整個頭皮記錄時，信號振幅會減小。
上述關於隱藏式 EEG 的文獻明確將信號振幅減小視為耳周方法的主要局限。皮質神經元產生的電信號在通過骨骼和組織傳導到電極部位時會衰減，且耳周陣列較小的空間覆蓋範圍限制了相對於完整高密度電帽的視野。
一種被提出的補償策略涉及實時三維源重建。一種基於智慧型手機的源重建框架將現成的神經頭戴設備或 EEG 電帽與行動設備相結合，以即時執行源定位算法。
在 Stopczynski 涉及想像手指敲擊的驗證實驗中，該系統在相關大腦區域產生了與使用標準實驗室 EEG 設備獲得的模式在性質上相似的激活模式。值得注意的是，同一研究明確指出，使用現成消費級神經頭戴設備的行動信號質量低於使用高密度標準 EEG 設備獲得的信號質量。
因此，行動方法並沒有使信號質量等同化；它通過計算方法補償了其部分缺陷。使用行動源重建的研究人員應預期其空間保真度低於高密度系統，並應相應地設計他們的分析，將重點放在廣泛的區域效應上，而非細粒度的皮質分割。
可攜式 EEG 能否複製既有的神經科學發現？
可攜式 EEG 最具說服力的證據來自對公認神經科學現象的成功複製。在本文綜合的研究中，幾種範式已在可攜式、隱藏式系統上得到了驗證，這些複製為該領域提供了最強有力的科學基礎。
可攜式 EEG 研究中的靜息態大腦動力學
睜眼與閉眼範式代表了 EEG 研究中最可靠的發現之一。閉上眼睛會產生後部 alpha 頻段振盪活動的特徵性增加，這一現象與視覺處理減少和內部注意力增加有關。
一項使用智慧型手機驅動刺激呈遞和柔性耳戴式電極陣列的 七小時動態研究成功複製了這些眾所周知的光譜差異。參與者在日常環境中戴著隱藏式電極，僅通過閉眼和睜眼就顯示出預期的振盪功率調製。
這一結果表明，該硬體能夠以足夠的保真度捕捉基本的大腦振盪，從而檢測出既有的神經生理模式。
使用可攜式 EEG 測量事件相關電位
聽覺奇球（auditory oddball）範式測試大腦對嵌入在頻繁、無關聲音流中的罕見、任務相關刺激的反應。 P300 成分是在刺激呈現後約 300 毫秒出現的正向偏轉，反映了注意力的分配和工作記憶的更新。
在同一項七小時的研究中，參與者在早上以及六到七個小時後的下午完成了聽覺奇球任務。結果證實了預期的條件效應，與標準聲音相比，目標聲音的 P300 振幅顯著更大。
更令人印象深刻的是，P300 振幅在兩次測試中表現出高度的重測信賴度，相關係數達到或超過 0.74。這一統計數據表明，在早上產生較大 P300 反應的個體在下午也傾向於產生較大反應，這表明可攜式系統捕捉到了認知過程中穩定的個體差異，而非隨機噪聲。
此外，利用早上時段數據訓練的線性分類器，在早上和下午時段的分類準確度均達到 70% 以上，這表明單次試驗的神經信號在連續配戴數小時後仍可區分。
行動 EEG 能否準確測量心流和心理負荷？
較低成本、開源硬體和耳戴式電極的驗證研究擴展了範式複製，將實驗誘發的心理負荷變化納入其中。參與者完成了旨在操縱認知需求的任務，可攜式系統成功檢測到了相應的神經變化。
更具啟發性的是，該研究通過顳葉 Alpha 功率變化的視角探討了心流體驗，即深度投入和輕鬆專注的心理狀態。分析發現顳葉 Alpha 功率與心流水平加深之間存在關聯，這表明隨著心流加深，言語分析推理得到了高效調用。
值得注意的是，關於心流相關神經標誌物的證據基礎有限，本研究提供的是初步支持而非因果證明。顳葉 Alpha 功率可能與心流體驗相關，但該相關性背後的機制仍處於推測階段。因此，研究人員應將其視為一個值得進一步測試的新興假設，而不是一個可以在未經驗證的情況下直接部署的既有生物標誌物。
範式 | 可攜式 EEG 發現 |
|---|---|
靜息態 | Alpha 調製得到複現 |
聽覺奇球 | P300 跨越數小時保持穩定 |
心理負荷 | 檢測到神經變化 |
心流狀態 | Alpha 與心流相關聯 |
可攜式 EEG 的未來應用與當前挑戰
可攜式 EEG 的轉化潛力延伸至臨床和認知神經科學的等多個領域。對大腦穿戴式裝置的評論強調了對神經精神疾病進行頻繁和遠程監控的前景，因為偶發性的實驗室就診往往無法捕捉到症狀波動的時間動態。
例如，癲癇患者在預約就診期間可能接受了正常 EEG 檢查，但會在家中出現癲癇發作。連續或半連續的動態記錄提供了一種檢測這些原本不可見事件的途徑。
同樣，當參與者可以在家中提供數據，而無需返回實驗室進行重複測試時，測量長期大腦可塑性和學習就變得切實可行。
此外，通過腦機介面實現的基於思維的數位設備控制，需要用戶可以全天配戴且不會產生社交污名或身體不適的硬體。隱藏式、耳戴式 EEG 系統和行動處理平台使這一願景更接近實際現實。
然而，重大的障礙依然存在。評論指出，電池壽命、數據存儲和用戶舒適度是 EEG 穿戴式裝置研究面臨的持續挑戰：
一個需要每兩小時充電一次的系統無法支持驗證該方法所需的七小時記錄。
當研究人員連續收集高頻數據時，存儲限制會變得十分嚴峻。
在實驗室過濾環境中運行良好的自動偽影去除管道，在面對日常生活中不可預測的噪聲時，很難保持準確性。
目前的軟體通常依賴人工檢查來識別和刪除受污染的片段，這一過程很難擴展到長達一整天的記錄。開發強大的自動化算法，在不丟棄有價值數據的情況下，將神經信號與咀嚼、行走或打字偽影區分開來，仍然是一個關鍵的研究重點。
為什麼可攜式 EEG 正在改變科學家研究大腦的方式
可攜式 EEG 現在使觀察日常生活條件下的大腦活動成為可能，在實驗室之外重現了注意力轉移和視覺處理等既有模式。然而，這些進步伴隨著一定的權衡，包括耳周信號強度減弱、廉價硬體的時間精度降低，以及仍在增長的驗證基礎。
該技術應被視為傳統實驗室設置的補充，而非替代品，且對生態效度的宣稱必須與嚴格的研究設計相匹配。未來的主要任務是建立更強有力的證據，以便在日常環境中收集的觀察結果能夠支持這種新途徑所帶來的宏大問題。
參考文獻
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Debener, S., Emkes, R., De Vos, M., & Bleichner, M. (2015). Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed electrodes around the ear. Scientific reports, 5(1), 16743. https://doi.org/10.1038/srep16743
常見問題
文章中描述的研究級可攜式 EEG 系統的兩大主要類別是什麼？
第一類使用貼合身體輪廓的柔性電極陣列，包裹在耳朵周圍，而不需要剛性電帽。第二類將傳統的電極帽與智慧型手機或平板電腦等行動採集平台相結合，進行實時處理。
較低成本、開源硬體的放大器設備與高端研究級放大器相比如何？
較低成本、公開記錄的放大器板表現出與高端研究級放大器幾乎相同的背景噪聲性能，這意味著它們可以同樣有效地提取微弱的神經信號。然而，它們的時間精度往往略低，這主要對於需要毫秒級定時的任務（如某些 ERP 或 BCI 研究）有影響。
將 EEG 從實驗室轉移到自然環境時，主要的信號質量挑戰是什麼？
來自肌肉活動、眼球運動和電極位移的運動偽影，加上來自電力線和設備的環境電學干擾，會污染記錄。耳周電極捕捉到的信號振幅也會減小，因為神經信號會通過骨骼和組織衰減。
哪些經典的 EEG 現象已在自然環境中通過可攜式系統成功複製？
睜眼與閉眼範式在閉眼時顯示出後部 alpha 活動增加，聽覺奇球任務能可靠地對目標聲音產生更大的 P300 反應。這些複製證實了可攜式系統能夠準確捕捉大腦的基本振盪和認知過程。
為什麼較低成本的可攜式 EEG 硬體對於許多研究應用來說是可以接受的？
因為其噪聲性能與昂貴的系統相當，它可以檢測到相同的廣泛神經變化，例如靜息態或持續的認知任務。主要的缺點是時間精度，這隻對於需要精確毫秒級同步的實驗才變得至關重要。
實時源重建在可攜式 EEG 中扮演什麼角色？
它使用基於智慧型手機的算法來估計大腦中信號產生的位置，補償耳周或消費級頭戴設備降低的信號質量。空間保真度低於高密度實驗室系統，因此分析應側重於廣泛的區域效應，而非細粒度的大腦繪圖。
文章中提到了當前可攜式 EEG 技術的哪些關鍵局限性？
電池壽命、數據存儲和用戶舒適度仍然是持續存在的挑戰，限制了連續記錄的時間。自動偽影去除在應對不可預測的日常生活噪聲時顯得力不從心，通常需要人工檢查，且驗證研究通常樣本量較小，長期穩定性測試有限。
為什麼研究人員應謹慎對待可攜式 EEG 的生態效度宣稱？
實證驗證基礎仍在積累中，大多數研究樣本量小且監測期短。可攜式系統是實驗室設置的補充，而不是因為記錄發生在受控環境之外，就自動賦予更高真實性的替代品。
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。
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克里斯蒂安·布爾戈斯
