每个脑电图（EEG）都基于同一个基本前提：大脑内部产生的电活动通过组织、颅骨和头皮向外传播，从而可以被放置在头部表面的传感器捕获。而读取结果的准确性在很大程度上取决于您使用了多少个传感器以及将它们放置在何处。
10-5电极系统的出现，正是为了以数学上的精准度来解决电极放置的问题，它为研究人员和临床医生提供了一张包含 300 多个可能记录地点的标准化地图。这比自 20 世纪 50 年代以来一直作为临床脑电图基石的原版 10-20 系统所使用的 21 个位置有了显著的增加。
什么是 10-5 系统？
10-5 系统是脑电极放置标准演变中的第三个、也是最精细的阶段。它始于 10-20 系统。10-20 系统是一个围绕按测量百分比划分头部区间的方案，以便电极位置在不同的头部尺寸和不同的实验室之间保持一致。
由于 EEG 研究需要更精细的细节，特别是对于区分相邻大脑区域等任务，10-10 系统应运而生。它通过在原始 10-20 位置的正中间添加点，使电极数量增加了一倍，产生了大约 74 个位置。
10-5 系统将这种减半逻辑又向前推进了一步。它再次细分 10-10 的间隔，在整个头皮上产生了 300 多个命名的位置。
其核心思想是，不是在分散、宽间距的点上采样大脑电活动，而是在整个头部表面建立一个密集、均匀分布的网格。 这并不是要取代 10-20 或 10-10 系统，而是对它们的扩展。
10-5 EEG 系统的解剖标志和坐标测量
四个标志性结构锚定了整个系统：
鼻根（Nasion）位于鼻梁，即前额与鼻骨相交处。
枕外隆凸（Inion）是位于后脑勺、颅骨底部的可摸到的小骨质突起。
左、右耳前点（Preauricular points）紧邻双耳前方，位于颧骨上方的小凹陷处。
这四个点在几乎每个人的颅骨上都可触及，这也是它们被选为整个测量系统几何基础的原因。
从这些地标出发，技术人员进行一套标准测量：
矢状弧：从鼻根穿过头顶测量到枕外隆凸
冠状弧：在头顶横跨左右耳前点
头围：横向环绕所有四个主要地标
每个弧线按照百分比分割成分段，以确定电极位置
这些固定测量值确保网格适应任何头围尺寸
一旦测量了这些弧线，命名逻辑就会通过简单的划分显现出来。10-20 系统将每个弧线分割成以总弧长百分比衡量的分段，一般以 10% 和 20% 为步长，该系统也因此得名。这产生了经典的 21 电极布局，今天仍用于许多常规临床记录。10-10 系统将这些百分比间隔中的每一个减半，使分辨率大致翻倍，并将总电极数推至大约 74 个。
10-5 系统再次重复该减半过程，将 10-10 间隔再次分割。结果是形成了一个拥有 300 多个位置的网格，在普通成年人头部，电极间隔大约为 2 到 3 厘米。
命名约定本身直接将位置信息编码到每个电极的标签中。字母对应于大脑的底层脑叶：Fp 代表额极（frontopolar），F 代表额叶（frontal），C 代表中央区（central），T 代表颞叶（temporal），P 代表顶叶（parietal），O 代表枕叶（occipital）。数字以及更密集的 10-5 命名方案中的附加下标或撇号，表示该位置距离中线的距离占弧距的分数。
标有低数字的电极靠近头部中心，而高数字的电极则向太阳穴和耳部推进。这意味着一旦您了解了编码逻辑，仅凭电极的名称就几乎可以准确地告诉您它在头皮上的位置，而无需图表。
改进的空间采样：为什么越密集越好
当脑电波到达头皮时，其表现就像是一个由许多不同尺度的重叠空间模式组成的信号。
一些模式是宽而平滑的，轻轻地散布在大脑的大片区域。其他模式则紧凑得多，从头皮的一个微小区域到下一个区域发生急剧变化。
为了在不漏掉任何内容的情况下捕捉全图，传感器需要放置得足够近，以检测到这些最微小的空间模式。如果传感器之间的间隔太远，精细的细节就会被完全忽略，或者更糟糕的是，被曲解为其他事物。在信号处理中，这种通用采样问题被称为奈奎斯特准则（Nyquist criterion），也是电极密度至关重要的根本原因。
标准 10-20 间距在普通成年人头上使电极间隔大约 6 到 7 厘米。这个间隙太宽，会模糊或完全漏掉底层电场中较细的空间模式。10-5 系统 2 到 3 厘米的间距使空间采样率非常接近解析这些更精细模式所需的水平，逼近了通常被称为头皮记录 EEG 的空间奈奎斯特极限。
更紧密间距益处的直接证据可以从 Robinson 等人的研究中看到，该研究比较了研究人员所称的“超奈奎斯特密度”（super-Nyquist density, SND）阵列与标准“奈奎斯特密度”（Nyquist density, ND）阵列。
研究人员在枕颞区（与视觉加工相关的大脑后部和侧部）使用间隔仅 14 毫米的 128 个电极，在参与者观看旨在产生独特、可追踪大脑反应的闪烁棋盘图案时记录了 脑电图 (EEG)。当他们将完整高密度阵列与相同电极的较稀疏子集进行比较时，较密集的阵列一贯表现得比稀疏阵列更好。
作者报告说：“SND EEG 从视觉皮层捕获了更多的神经信息”，并且在时间域和频率域，闪烁刺激在“使用 SND 比 ND 阵列分类得更准确”。与较稀疏的记录相比，较密集的记录也与初级视觉皮层活动的计算模型更加吻合。
尽管这一发现仅局限于一个大脑区域，而不是整个头部，但它表明更紧密的电极间距原则上可以捕获宽间距根本无法解析的皮层活动空间和时间特征。
源定位取决于传感器密度和覆盖范围
密集记录信号只是挑战的一半。临床医生和研究人员经常希望从头皮记录中反向推定，以估测大脑内信号的起源位置，这一过程被称为源定位（source localization）。这个逆向工程问题在数学上很困难，其准确性直接取决于有多少表面数据输入其中。
一项专门针对这一问题的基于模拟的研究检验了传感器密度和头部覆盖范围如何影响源定位估算的准确性。研究人员使用模拟数据和真实的癫痫样 EEG 记录（即与癫痫相关的电放电对应的大脑活动模式），在不同的源深度测试了数种常用的逆向建模技术。
结果很直接：“更大的传感器密度可以提高源定位的准确性。”
同样重要的是，研究发现覆盖范围对准确定位的影响同密度一样互相独立。在下表面（头部靠近耳朵、太阳穴和颅骨底部的较低部分）添加电极采样“提高了所有深度源估算的准确性”，而不仅仅是位于该较低区域附近的源。
该研究的总体结论将这两个发现结合在一起：“只有在对上表面和下表面都进行了密集的电压表面采样时，才能获得最准确的源定位。”
这是一个有意义的细节，因为标准的 10-20 帽子倾向于将覆盖范围集中在头顶，而下部头皮区域相对稀疏。一个完整的 10-5 阵列固有地同时解决了这两个要求，因为它的坐标系统将覆盖范围向下延伸到下表面，同时兼顾了更精细定位所需的密度。
高密度 EEG 的应用
广泛来说，高密度布局的采用拓展了实验室和床旁观察的能力。通过实现电波传播的精确三角测量，这些系统帮助研究人员理解定义认知的神经元放电模式的快速转换。
神经学研究与诊断
在神经科学领域，对精确性的追求往往决定了其方法。高密度阵列允许检测认知任务期间发生的微小地形变化，为研究人员提供神经网络在特定刺激条件下如何组织运作的证据。
这些阵列能够有效地绘制电通路，协助开发解释远端大脑区域如何通过同步振荡进行协调的模型。
脑机接口 (BCI)
BCI 应用需要对指令驱动的思想模式进行持续且稳定的检测。通过使用增加的传感器数量，BCI 开发人员可以从概括性的背景干扰中分离出特定的运动相关信号成分。
这种信号隔离的改进带来了外部假肢设备和数字通信工具控制精度的提高，因为系统能够辨识更微小、更局部的运动意图特征。
高密度 EEG 帽的临床应用与监测
在临床环境中，高密度帽被用来更准确地测量癫痫灶。在某些情况下，临床医生必须使用 参考导联 EEG 指南中描述的方法评估电状态的稳定性。
放置得当的高密度帽允许对这些参考信号进行更细致的解释，帮助临床医生在具有局灶性癫痫或认知处理障碍的患者中精确定位异常活动的源头。
神经科学研究中高密度 EEG 设备的比较
在进行研究时，通常需要评估哪种采样密度在采集复杂性与所需的科学保真度之间提供最佳折衷。下表说明了常见实验配置中电极采样密度的总体差异。
系统类型 | 电极数量 | 典型空间分辨率 | 最佳用途 |
|---|---|---|---|
10-20 标准 | 21-32 | 6-8 厘米 | 常规监测 |
中档 | 64-128 | 3-4 厘米 | 临床筛查 |
全高密度 | 256+ | < 2 厘米 | 源定位研究 |
这一对比突显了为什么优先考虑空间细节的研究人员，对于复杂的定位研究，往往倾向于使用全高密度阵列。通过最大限度地减少传感器之间的间隙，数据对于高级数学建模变得更加适用，允许精确区分在低分辨率记录中可能重叠的皮层源。
高密度 EEG 能否检测到皮层下活动？
关于密集 EEG 阵列引起最多争议的主张之一是，它们是否可以接收来自大脑深处结构（远低于皮层的区域）的信号，而传统上认为标准的 EEG 对这些区域几乎没有敏感性。因此，一项 2019 年的研究直接将高密度头皮 EEG 与从植入在向心内侧丘脑和伏隔核（参与协调广泛大脑网络活动的两个结构）的深部脑刺激电极录制的颅内记录进行了比对。
由于本研究中的深部脑刺激电极是临时外置的，即在连接到永久的内部刺激器之前可以进行记录，研究人员得以在三名闭眼静息状态的患者中，同时记录这些深部颅内位点以及 256 通道的高密度头皮 EEG。然后，他们对头皮数据应用源重建技术，并将结果信号与实际的颅内记录进行比对。
结果显示，来自颅内和 EEG 源重建的大脑信号的 alpha 包络（指 alpha 频段大脑节律的缓慢起伏模式）之间存在相关性。值得注意的是，“相关性最高的是在实际记录位点非常接近的源信号”，这意味着基于头皮的估算在与真实颅内电极放置相匹配的深度和位置上最为准确。研究人员得出结论，这提供了头皮脑电图确实可以感知皮层下信号的证据。
然而，这应该被看作是在单一行为状态下对三名患者进行的小型概念验证演示。它支持了密集阵资源成像可以将敏感性延伸到皮层表面之外的观点，但它并没有确定这种敏感性在更广泛的人群或条件下的可靠性或可复制性如何。
应用密集阵列进行癫痫样放电定位
在癫痫评估的背景下，10-5 系统的临床应用性大大增加，在这一领域，确定异常电放电的精确来源可以决定外科手术治疗的决策。前面提到的基于模拟的源定位研究明确地将其模拟发现扩展到了真实的癫痫样 EEG 数据中，研究了传感器密度和覆盖范围在癫痫样 EEG 源定位中的作用。
因为该项研究的更广泛发现——更高的传感器密度和下表面覆盖范围独立提高了源估算的准确性，并且这一结论在针对真实的癫痫样记录而非仅针对模拟数据进行测试时依然成立，它为 10-5 系统的临床用例提供了直接的证据桥梁。
在术前癫痫评估中，这转化为对刺激区（在癫痫发作之间产生异常放电的皮层区域）更精确的勾画，这可以为是否进行以及在何处进行侵入式监测或手术治疗提供决策支持。在临床和研究界，这种益处经常被作为癫痫中心使用 10-5 或同等密集 EEG 导联系统的主要理由。
高密度 EEG 的未来
高密度记录技术的未来发展很可能会集中在电极组件的微型化上。随着硬件变得不再繁重，研究人员将能够更容易地在移动的、真实的环境中进行高分辨率的记录。这种便携性将使高密度采集从静态实验室环境过渡到门诊场景，在这些场景中，可以在自然条件下研究人类行为，而不受传统庞大电极设置的限制。
与此同时，实时机器学习算法的整合将改变原始数据的处理方式。现代系统正在被设计为以极低的延迟即时解码神经活动，而不是依赖于追溯分析。这种功能将为神经康复规程和自适应 BCI 途径提供即时反馈，使系统能够根据被记录个体的特定电气特征来调整其信号处理参数。
最后，保持低阻抗的干电极材料的开发将进一步革新这些系统。通过消除对导电凝胶的需求，高密度帽的设置时间将从数小时缩短到几分钟，从而显著降低长期监测的门槛。
这种向快速应用硬件的转变，有望使密集阵列脑成像成为临床诊断和纵向认知研究中的常规实践，从根本上改变我们对人类神经连接性的理解。
结论
10-5 系统提供了一个完全由可测量的解剖地标构建的标准化坐标框架，将熟悉的 10-20 和 10-10 系统扩展到 300 多个电极位置的网格中，其间距大约为 2 到 3 厘米。这种密度使头皮脑电图记录更接近于捕捉大脑表面产生的精细电模式所需的空间分辨率，这一原理植根于普通神经科学和信号处理理论。
所讨论的证据表明，更密集的采样与下表面覆盖相结合，提高了模拟和真实癫痫样数据中源定位的准确性。与源重建技术配合使用的高密度阵列已显示出与直接从深部脑结构记录的皮层下活动具有相关性的、可测量的（尽管是初步的）能力。在视觉皮层上进行的高密度记录比相同阵列的标准密度子集捕获了更多有用的神经信息。
总之，这些发现为 10-5 系统在癫痫样放电映射和精细认知神经成像等任务中的价值，提供了合理的理论依据和早期经验支撑。
参考文献
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
常见问题解答
什么是 10-5 EEG 系统？
10-5 系统是一个标准化的电极放置网格，它将头皮细分为 300 多个指定的坐标位置，间距大约为几厘米。它对旧的 10-20 和 10-10 系统进行了扩展，以提供更密集的大脑电活动采样。
10-5 系统是如何在 10-20 系统的基础上构建的？
10-20 系统使用基于百分比的间隔来划分头部，以定义 21 个标准位置。10-10 系统将这些间隔减半，而 10-5 系统再次将其减半，从而在大脑保留所有原始地标的同时创建了一个精细得多的网格。
哪些解剖标志锚定了电极的放置？
四个可触及的点——鼻梁处的鼻根、颅骨底部的枕外隆凸，以及双耳前方的左右耳前点——作为固定的参考点。所有的电极位置都是根据在这些地标之间测量的弧线计算出来的。
为什么更紧密的电极间距对脑电图 (EEG) 很重要？
大脑的电活动模式在头皮的细小区域之间可能会有所不同，根据奈奎斯特采样定律，间距过宽的电极可能会漏掉精细的细节。更紧密的间距能够捕捉到这些更小的空间模式，从而实现更准确的记录。
10-5 系统如何改善源定位？
源定位可以估测大脑内部信号的起源位置，其准确性取决于是否拥有足够的测量点。密集的采样加上头部下方的覆盖，提高了在所有大脑深度上进行这些估算的精确度。
高密度脑电图能够探测到大脑深部结构的信号吗？
一项小型研究同时记录了头皮和植入在深部脑区的电极，显示出这两种信号之间存在相关性。这直接证明了头皮脑电图可以感应到皮层下的活动，尽管仍需要更广泛的验证。
电极密度越高是否总能提高记录质量？
密度的增加为空间建模提供了更多的数据，但它也提高了数据处理的复杂性及阻抗问题的风险；质量取决于正确的应用与清晰的信号管理。
高密度脑电帽有什么具体的挑战吗？
主要挑战在于大型阵网电极帽的佩戴应用时间，以及为了实现干净的建模而同时处理数百个通道所需的计算工作量。
Emotiv 是一家神经技术领域的领导者，致力于通过易于获取的 EEG 和脑数据工具推动神经科学研究发展。
克里斯蒂安·布尔戈斯
