脳波検査

脳波検査
てんかんのスパイク放電と波放電をEEGで監視
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脳波記録法（EEG）^[1]は、脳の自発的な電気活動の電位図 を記録する方法です。EEGによって検出された生体信号は、大脳新皮質と外皮質の錐体ニューロンのシナプス後電位を表すことが示されています。^[2]これは通常非侵襲性であり、国際10-20システムまたはそのバリエーションを使用して、EEG電極を頭皮に沿って配置します（一般に「頭皮EEG」と呼ばれます） 。電極を外科的に配置する必要がある 皮質電気記録法は、 「頭蓋内EEG」と呼ばれることもあります。EEG記録の臨床的解釈は、トレースの目視検査または定量的なEEG分析によって最も頻繁に行われます。

EEGバイオアンプリファイアと電極によって測定される電圧変動により、正常な脳活動の評価が可能になります。EEG によって監視される電気活動は、脳の下にある組織のニューロンに由来するため、頭皮表面の電極によって記録される値は、活動源に対する電極の向きと距離に応じて変化します。さらに、記録された値は、電気回路の抵抗器とコンデンサーに似た動作をする中間組織と骨によって歪められます。つまり、すべてのニューロンが EEG 信号に等しく寄与するわけではなく、EEG は主に頭皮の電極付近の皮質ニューロンの活動を反映します。電極から離れた脳の深部構造は、EEG に直接寄与しません。これには、皮質回の基部、大脳葉の内側壁、海馬、視床、脳幹が含まれます。^[3]

健康な人間の脳波は、人がどれだけ覚醒しているかと相関する特定の活動パターンを示します。観察される周波数の範囲は 1 ～ 30 Hz で、振幅は 20 ～ 100 μV の範囲で変化します。観察される周波数は、アルファ(8 ～ 13 Hz)、ベータ(13 ～ 30 Hz)、デルタ(0.5 ～ 4 Hz)、シータ(4 ～ 7 Hz) のさまざまなグループに細分化されます。アルファ波は、人がリラックスした覚醒状態にあるときに観察され、主に頭頂部と後頭部で顕著です。激しい精神活動中には、ベータ波は前頭部だけでなく他の領域でも顕著になります。リラックスした人に目を開けるように指示すると、アルファ活動が減少し、ベータ活動が増加するのを観察できます。シータ波とデルタ波は、覚醒状態では一般的には見られません。もし見られる場合は、脳機能障害の兆候です。^[3]

EEG は、てんかん患者に見られる鋭波、スパイク、またはスパイク波複合体などの異常な放電を検出できるため、医療診断の参考としてよく使用されます。EEG では、発作の開始と時空間 (場所と時間) の進行、およびてんかん重積状態の存在を検出できます。また、睡眠障害、麻酔深度、昏睡、脳症、心停止後の脳性低酸素症、および脳死の診断にも役立ちます。EEG はかつて、腫瘍、脳卒中、その他の局所性脳障害の診断の第一選択法でしたが、 ^{[4] [5]}磁気共鳴画像法(MRI) やコンピューター断層撮影(CT)などの高解像度の解剖学的画像技術の出現により、この使用は減少しました。空間分解能が限られているにもかかわらず、EEG は研究と診断のための貴重なツールであり続けています。これは数少ないモバイル技術の1つであり、CT、PET、MRIでは不可能なミリ秒単位の時間分解能を提供します。^{[6] [7]}

EEG 技術の派生技術には、何らかの刺激 (視覚、体性感覚、聴覚)の提示に時間的に同期した EEG 活動を平均化する誘発電位(EP) が含まれます。事象関連電位 ( ERP ) は、より複雑な刺激処理に時間的に同期した平均化された EEG 応答を指します。この技術は、認知科学、認知心理学、および精神生理学的研究 で使用されます。

脳波検査はてんかんを確定診断する標準的な検査法です。てんかんセンターで日常的な脳波検査による発作間欠期てんかん様放電の検出感度は、 29～55%と報告されています。^[8]低～中程度の感度を考慮すると、通常の脳波検査（通常、20～30分間）はてんかん患者では正常である可能性があります。脳波検査で発作間欠期てんかん様放電（鋭波、棘波、棘波など）がみられる場合、ほぼすべての症例でてんかんと確定します（特異度が高い）が、一般人口の最大3.5%は発作を起こしたことがなくても脳波検査でてんかん様異常がみられる可能性があり（偽陽性率が低い）^[8]、将来てんかんを発症するリスクが非常に低い場合もあります。^[9]

通常の脳波検査が正常で、てんかんの疑いが強い場合やてんかんを確認する必要がある場合には、てんかんモニタリングユニット（EMU）または自宅での携帯型脳波検査で、繰り返しまたは長時間の検査を実施することができます。さらに、光刺激、過換気、睡眠不足などの刺激を与えることで、脳波の診断率を高めることができます。^[8]

時々、通常の脳波検査だけでは、診断を確定したり、治療に関して最善の行動方針を決定したりするのには不十分なことがあります。この場合、発作が起こっている間に脳波を記録しようと試みることがあります。これは発作時記録と呼ばれ、発作間の脳波記録を指す発作間欠期記録とは対照的です。発作時記録を得るには、通常、長時間の脳波検査が行われ、時間同期されたビデオおよびオーディオ記録が伴います。これは、外来患者 (自宅) として、またはできればてんかんモニタリング ユニット (EMU) への入院中に行うことができます。てんかんモニタリング ユニットには、てんかん患者のケアの訓練を受けた看護師やその他のスタッフがいます。外来の歩行型ビデオ脳波検査は通常、1 ～ 3 日間続きます。てんかんモニタリング ユニットへの入院は通常数日間続きますが、1 週間以上続くこともあります。入院中は、入院中に発作が起こる可能性を高めるために、通常、発作治療薬は中止されます。安全上の理由から、病院外での脳波検査中は投薬を中止しない。そのため、外来ビデオ脳波検査は利便性が高く、入院よりも安価であるが、臨床的事象を記録する可能性が低くなるという欠点もある。^[10]

てんかんモニタリングは、患者が抗てんかん薬を服用しているにもかかわらず発作が続く場合や、患者の発作に心因性非てんかん発作、失神、皮質下運動障害、片頭痛の亜型、脳卒中などの別の診断が懸念される場合によく考慮されます。てんかん発作の場合、継続的な脳波モニタリングは、発作の特徴付けや、発作の発生源である脳の領域の位置/側性を特定するのに役立ちます。これは、適切な非薬物治療オプションを特定するのに役立ちます。^[11]臨床では、神経科医がさまざまな特徴を見るために脳波のトレースを視覚的に分析します。視覚分析と組み合わせて脳波の定量分析を使用することが増えています。パワースペクトル分析、アルファデルタ比、振幅統合 EEG、スパイク検出などの定量分析表示は、詳細な視覚分析が必要な EEG セグメントをすばやく識別するのに役立ちます。また、場合によっては、長期記録における発作をすばやく識別するための代替手段として使用できます。

脳波検査は、以下の疾患の診断や治療にも役立つ可能性がある。^[12]

• 脳腫瘍
• 頭部外傷による脳損傷
• さまざまな原因による脳機能障害（脳症）
• 脳の炎症（脳炎）
• 脳卒中
• 睡眠障害

また、次のこともできます。

• てんかん発作を、心因性非てんかん発作、失神、皮質下運動障害、片頭痛の亜型などの他の種類の発作と区別する
• 「器質性」脳症またはせん妄を緊張病などの一次精神症候群と区別する
• 昏睡状態の患者の脳死の補助検査として機能する
• 昏睡状態の患者（特定の場合）や出生時に様々な原因で脳損傷を負った新生児の予後を予測する
• 抗てんかん薬を中止するかどうかを決定します。

EEGは集中治療室での脳機能モニタリングにも使用でき、非けいれん性発作/非けいれん性てんかん重積状態のモニタリング、薬物誘発性昏睡状態の患者における鎮静剤/麻酔の効果のモニタリング（難治性発作または頭蓋内圧亢進の治療のため）、くも膜下出血などの状態における二次的な脳損傷のモニタリング（現在は研究方法）に使用できます。 ^[13]

心停止後など、重大な脳損傷が疑われる場合には、脳波検査によってある程度の予後情報が得られる。^[要出典]

てんかん患者に対しててんかん治療のための切除手術が検討されている場合、頭皮 EEG で得られる解像度よりも高い解像度でてんかん性脳活動の焦点 (発生源) の位置を特定する必要があることがよくあります。このような場合、脳神経外科医は通常、開頭術または穿頭孔を介して、ストリップやグリッド状の電極、または貫通深部電極を硬膜の下に埋め込みます。これらの信号の記録は、皮質電気記録法(ECoG)、硬膜下 EEG (sdEEG)、頭蓋内 EEG (icEEG)、または定位 EEG (sEEG) と呼ばれます。ECoG から記録された信号は、頭皮 EEG から記録された脳活動とは異なる活動スケールです。頭皮 EEG では簡単に (またはまったく) 見ることができない低電圧、高周波成分が、ECoG では明確に見ることができます。さらに、より小さな電極（脳表面のより小さな部分をカバーする）は、発作の開始と伝播に重要な領域を絞り込むためのより良い空間分解能を可能にします。一部の臨床現場では、貫通型微小電極からデータを記録しています。^[14]

場合によっては、検査を受ける人の自宅で歩行型脳波記録を行う方が便利であったり、臨床上必要な場合もあります。^{[15] [16]}これらの研究は通常24～72時間かかります。^[要出典]

EEGおよび関連するERPの研究は、神経科学、認知科学、認知心理学、神経言語学、精神生理学的研究のほか、嚥下などの人体機能の研究にも広く使用されています。 ^{[17] [18] [19]}研究で使用されるEEG技術はいずれも臨床使用には十分に標準化されておらず、多くのERP研究ではデータの収集と削減に必要な処理手順がすべて報告されていないため、^{[20]多くの研究の再現性と複製可能性が制限されています。}患者中心の成果研究機関（PCORI）が委託した2024年の体系的な文献レビューとメタ分析に基づくと、EEGスキャンはADHDの臨床診断を支援するために確実に使用することはできません。^{[21]ただし、EEGは}聴覚処理障害（APD）、ADD、ADHDなどの精神障害の研究に引き続き使用されています。^[21]脳波は脳震盪後の脳の神経生理学的変化を検出する上での有用性についても研究されてきたが、^[22]現時点では脳震盪の診断や回復の監視に臨床的に使用できる高度な画像技術は存在しない。^{[23] [24]}

脳機能の研究には、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)、陽電子放出断層撮影法(PET)、脳磁図法(MEG)、核磁気共鳴分光法(NMR または MRS)、皮質電気記録法(ECoG)、単一光子放出コンピュータ断層撮影法(SPECT)、近赤外分光法(NIRS)、事象関連光信号(EROS) など、他の方法もいくつかある。EEG の空間感度は比較的低いものの、「頭部の局所的な末梢領域から得られる 1 次元の信号は、その単純さゆえに忠実性が高く、臨床研究と基礎研究のスループットが高い」。^[25]このように、EEG は他の技術に比べていくつかの利点がある。

• ハードウェアコストは他のほとんどの技術に比べて大幅に低い^[26]
• EEGは、交通量の多い病院で即時の治療を提供できる技術者の数が限られることを防ぎます。^[27]
• EEGは静かな部屋とブリーフケースサイズの機器のみを必要としますが、fMRI、SPECT、PET、MRS、MEGは大きくて動かない機器を必要とします。例えば、MEGは磁気シールドルームでのみ使用できる液体ヘリウム冷却検出器で構成される機器を必要とし、合計で数百万ドル以上の費用がかかります。^[28]また、fMRIでは、やはりシールドルームで1トンの磁石を使用する必要があります。
• EEGは高い時間分解能を容易に持つことができます（ただし、1ミリ秒未満の分解能では意味のあるデータは生成されません）。これは、その数の電極によって生成される2～32のデータストリームが簡単に保存および処理できるためです。一方、3D空間技術では、入力データストリームが数千倍または数百万倍も提供されるため、ハードウェアとソフトウェアによって制限されます。^[29] EEGは、臨床および研究の環境では、一般的に250～2000Hzのサンプリングレートで記録されます。
• EEGは、他のほとんどの神経画像技術とは異なり、被験者の動きに対して比較的寛容である。EEGデータの動きによるアーティファクトを最小限に抑え、さらには除去する方法も存在する^[30]
• EEG は無音であるため、聴覚刺激に対する反応をよりよく研究することができます。
• EEGはfMRI、PET、MRS、SPECT、時にはMEGとは異なり、閉所恐怖症を悪化させない^[31]
• EEGは、他の技術、特にMRIやMRSのように、高強度（> 1テスラ）の磁場への曝露を伴わない。これらはデータにさまざまな望ましくない問題を引き起こす可能性があり、また、金属含有ペースメーカーなどの体内に金属インプラントがある参加者にはこれらの技術の使用を禁止している^[32]
• 脳波検査では、陽電子放出断層撮影法とは異なり、放射性リガンドへの曝露は伴わない。^[33]
• ERP研究はIEブロック設計fMRI研究と比較して比較的単純なパラダイムで実施できる。
• 脳の実際の表面に電極を配置する必要がある皮質電気記録法とは対照的に、比較的非侵襲的です。

EEG には、行動テストと比較して優れている点もいくつかあります。

• 脳波は隠れた処理（つまり、反応を必要としない処理）を検出することができる^[34]
• 脳波検査は運動反応ができない被験者にも使用できる^[35]
• EEGはスポーツパフォーマンスの研究に広く使用されている方法であり、その携帯性と軽量設計が評価されている^[36]
• 被験者が刺激に注意を払っていない場合でも、ERPの一部の要素は検出できる。
• 反応時間を研究する他の手段とは異なり、ERPは（結果だけではなく）処理の段階を明らかにすることができる^[37]
• EEG のシンプルさにより、人生のさまざまな段階での脳の変化を容易に追跡できます。EEG 睡眠分析は、思春期の脳の成熟の評価など、脳の発達のタイミングの重要な側面を示すことができます。

^[38]

• EEG では、MRI の BOLD 応答などの他の研究技術と比較して、どの信号が測定されるかについての理解が深まります。

• 頭皮の空間解像度が低い。例えばfMRIは活動している脳の領域を直接表示できるが、EEGでは特定の反応によってどの領域が活性化されるかを推測するだけでも高度な解釈が必要となる。^[39]
• 脳波の変化を引き起こす双極子の向きと位置によっては、逆問題により誤った位置特定が生じる可能性がある。^[40]
• EEG では、脳の上層 (皮質) より下で発生する神経活動を正確に測定できません。
• PETやMRSとは異なり、EEGでは脳内のさまざまな神経伝達物質や薬物などが存在する特定の場所を特定することはできません。^[33]
• 被験者を EEG に接続するには、頭部の周りに数十個の電極を正確に配置し、良好な導電性を維持するためにさまざまなジェル、生理食塩水、ペーストを使用する必要があり、それらを所定の位置に保つためにキャップが使用されるため、多くの場合、長い時間がかかります。使用する特定の EEG デバイスに応じて時間の長さは異なりますが、一般的に、MEG、fMRI、MRS、SPECT の場合は被験者を準備するのにかなり短い時間しかかかりません。
• 信号対雑音比は低いため、EEGから有用な情報を抽出するには高度なデータ分析と比較的多数の被験者が必要となる。^[41]
• EEGは現在、髪が粗い人や質感のある人には適していません。保護スタイルでさえ、検査中に問題を引き起こす可能性があります。研究者は現在、患者と技術者の両方にとってより良いオプションを構築しようとしています^[42]さらに、研究者はEEG研究における人種的偏見を減らすために、より文化的に情報に基づいたデータ収集方法を導入し始めています。^[43]

EEG記録とfMRIスキャンの同時記録は成功しているが^{[44] [45] [46] [47]、}両方を同時に記録するには、弾道心電図アーティファクト、MRIパルスアーティファクト、MRIの強力な磁場内で移動するEEGワイヤの電流誘導など、いくつかの技術的な困難を克服する必要がある。これらは困難ではあるが、多くの研究でうまく克服されている。^{[48] [49]}

MRI は、潜在的に有害な変位力とトルクを誘発する可能性のある強力な磁場を発生させて詳細な画像を生成します。これらの磁場は潜在的に有害な無線周波数加熱を生成し、画像アーティファクトを作成して画像を役に立たなくします。これらの潜在的なリスクのため、MR 環境で使用できるのは特定の医療機器のみです。

同様に、MEG と EEG の同時記録も実施されており、どちらかの技術を単独で使用するよりもいくつかの利点があります。

• EEG では、頭蓋骨の半径やさまざまな頭蓋骨の位置の伝導率など、推定することしかできない頭蓋骨の特定の側面に関する正確な情報が必要です。MEG ではこの問題がなく、同時分析によってこれを修正できます。
• MEG と EEG はどちらも皮質表面下の活動を検出するのが非常に苦手で、EEG と同様に、検査しようとする皮質表面下の深さが深くなるほどエラー レベルが高くなります。ただし、エラーは技術によって大きく異なるため、これらを組み合わせることで、このノイズの一部を修正できます。
• MEG は、皮質下数センチ以下の脳活動源にはほとんどアクセスできません。一方、EEG は、ノイズは多いものの、より深いところから信号を受信できます。この 2 つを組み合わせると、EEG 信号のうち、表面から来るもの (MEG は脳表面からの信号を非常に正確に検査するため) と、脳の深部から来るものを簡単に判別できるため、EEG または MEG 単独よりも深部の脳信号を分析できます。^[50]

最近、てんかん診断における発生源再構成を目的として、EEG/MEG（EMEG）を組み合わせたアプローチが研究されている。^[51]

EEGは陽電子放出断層撮影法と組み合わせることもできます。これにより、研究者は脳内のさまざまな薬物作用とどのようなEEG信号が関連しているかを確認できるという利点があります。^[52]

前頭葉EEG脳波データから抽出された統計的時間的特徴を備えたニューラルネットワークなどの機械学習技術を使用した最近の研究では、精神状態（リラックス、ニュートラル、集中） ^[53] 、精神的感情状態（ネガティブ、ニュートラル、ポジティブ）^[54]、および視床皮質不整脈^[55]の分類において高い成功率を示しています。

脳の電荷は数十億のニューロンによって維持されている。^{[56]ニューロンは}膜輸送タンパク質によって電気的に充電（または「分極」）され、膜を通してイオンを送り出す。ニューロンは、例えば静止電位を維持したり活動電位を伝播したりするために、細胞外環境と絶えずイオンを交換している。同じ電荷のイオンは互いに反発し合い、多くのイオンが同時に多くのニューロンから押し出されると、隣のイオンを押し、その隣のイオンがさらに隣のイオンを押し、というように波のように進む。このプロセスは体積伝導として知られている。イオンの波が頭皮の電極に到達すると、電極内の金属上の電子を押したり引いたりすることができる。金属は電子の押し引きを容易に伝導するため、任意の 2 つの電極間の押し引き電圧の差は電圧計で測定できる。これらの電圧を時間とともに記録すると、EEG が得られる。^[57]

個々のニューロンによって生成される電位は、EEG や MEG で検出するには小さすぎる。^[58]したがって、EEG 活動は常に、同様の空間的配向を持つ数千または数百万のニューロンの同期活動の合計を反映している。細胞が同様の空間的配向を持っていない場合、それらのイオンは整列せず、検出される波を生成しない。皮質の錐体ニューロンは、整列して同時に発火するため、最も多くの EEG 信号を生成すると考えられている。電圧場勾配は距離の 2 乗で減少するため、深部の発生源からの活動は頭蓋骨付近の電流よりも検出が困難である。^[59]

頭皮の脳波活動は、さまざまな周波数で振動している。これらの振動のいくつかは、特徴的な周波数範囲と空間分布を持ち、脳機能のさまざまな状態（覚醒やさまざまな睡眠段階など）に関連付けられている。これらの振動は、ニューロンのネットワーク上の同期した活動を表す。これらの振動のいくつかの根底にあるニューロンネットワークは理解されているが（たとえば、睡眠紡錘波の根底にある視床皮質共鳴）、他の多くのニューロンネットワークは理解されていない（たとえば、後部基本リズムを生成するシステム）。脳波とニューロンスパイクの両方を測定する研究では、両者の関係は複雑であり、ガンマ帯域の脳波パワーとデルタ帯域の位相の組み合わせがニューロンスパイク活動に最も強く関連していることが判明している。^[60]

従来の頭皮 EEG では、死んだ皮膚細胞によるインピーダンスを減らすために頭皮を軽くこすって準備した後、導電性のジェルまたはペーストを使って頭皮に電極を配置して記録します。多くのシステムでは、通常、個々のワイヤに接続された電極を使用します。一部のシステムでは、電極が埋め込まれたキャップまたはネットを使用します。これは、高密度の電極アレイが必要な場合に特に一般的です。^{[引用が必要]}

電極の位置と名前は、ほとんどの臨床および研究用途（高密度アレイを使用する場合を除く）で国際10-20システム^{[61]によって指定されています。このシステムにより、電極の命名が研究室間で一貫していることが保証されます。ほとんどの臨床用途では、19個の記録電極（およびグランドとシステム参照）が使用されます。 [62]}新生児のEEGを記録する場合は、通常、より少数の電極が使用されます。臨床または研究用途で脳の特定の領域の空間分解能を向上させる必要がある場合は、標準セットアップに追加の電極を追加できます。高密度アレイ（通常はキャップまたはネット経由）には、頭皮の周りにほぼ均等に配置された最大256個の電極を含めることができます。

各電極は差動増幅器の一方の入力に接続され（電極のペアごとに 1 つの増幅器）、共通のシステム参照電極は各差動増幅器のもう一方の入力に接続される。これらの増幅器は、アクティブ電極と参照電極間の電圧を増幅する（通常、1,000～100,000 倍、または 60～100  dBの電力ゲイン）。アナログ EEG では、信号はフィルタリングされ（次の段落）、紙が下を通過するときのペンのたわみとして EEG 信号が出力される。しかし、最近のほとんどの EEG システムはデジタルであり、増幅された信号はアンチエイリアシング フィルタを通過した後に、アナログ/デジタル コンバータによってデジタル化される。臨床頭皮 EEG では、アナログ/デジタル サンプリングは通常 256～512 Hz で行われ、一部の研究用途では最大 20 kHz のサンプリング レートが使用される。

記録中、一連の活性化手順が使用される場合があります。これらの手順により、他の方法では確認できない正常または異常な EEG 活動が誘発される可能性があります。これらの手順には、過換気、光刺激 (ストロボ ライトを使用)、眼球閉鎖、精神活動、睡眠、睡眠不足が含まれます。(入院中の) てんかんモニタリング中は、患者の一般的な発作治療薬が中止されることがあります。

デジタル EEG 信号は電子的に保存され、表示用にフィルタリングすることができます。ハイパス フィルタとローパス フィルタの一般的な設定は、それぞれ 0.5～1 Hzと 35～70 Hzです 。ハイパス フィルタは通常、電気ガルバニック信号や動きのアーチファクトなどの低速アーチファクトを除去しますが、ローパス フィルタは筋電図信号などの高周波アーチファクトを除去します。追加のノッチ フィルタは通常、電力線 (米国では 60 Hz、他の多くの国では 50 Hz) によって発生するアーチファクトを除去するために使用されます。^[14]

EEG 信号はOpenBCIなどのオープンソース ハードウェアでキャプチャでき、その信号はEEGLABやNeurophysiological Biomarker Toolboxなどの無料で入手できる EEG ソフトウェアで処理できます。

てんかん手術の評価の一環として、脳の表面近く、硬膜の表面の下に電極を挿入する必要がある場合があります。これは、穿頭孔または開頭術によって行われます。これは、 「皮質電気記録法 (ECoG)」、「頭蓋内 EEG (I-EEG)」、「硬膜下 EEG (SD-EEG)」などさまざまな名前で呼ばれます。深部電極は、てんかんの一般的な焦点であり、頭皮 EEG では明確に「確認」できない可能性のある扁桃体や海馬などの脳構造にも配置されます。皮質電気記録信号は、いくつかの注意点を除いて、デジタル頭皮 EEG (上記) と同じ方法で処理されます。ECoG は、ナイキスト定理の要件(硬膜下信号は高周波成分のほうが多く含まれる) のため、通常、頭皮 EEG よりも高いサンプリング レートで記録されます。また、頭皮 EEG に影響を与えるアーティファクトの多くは ECoG には影響を与えないため、表示フィルタリングは必要ないことがよくあります。

典型的な成人の脳波信号は、頭皮から測定した場合、振幅が約10μV～100μVである。^[63]

EEG 電圧信号は 2 つの電極の電圧の差を表すため、読み取り脳波計の EEG 表示はいくつかの方法のいずれかで設定できます。EEG チャネルの表現はモンタージュと呼ばれます。

連続モンタージュ

各チャネル (つまり波形) は、隣接する 2 つの電極間の差を表します。モンタージュ全体は、一連のこれらのチャネルで構成されます。たとえば、チャネル「Fp1-F3」は、Fp1 電極と F3 電極間の電圧差を表します。モンタージュの次のチャネル「F3-C3」は、F3 と C3 間の電圧差を表し、電極の配列全体で同様に続きます。

参照モンタージュ

各チャネルは、特定の電極と指定された参照電極の差を表します。この参照には標準的な位置はありませんが、"記録" 電極とは異なる位置にあります。オンライン参照として、Cz、Oz、Pz などの中間位置がよく使用されます。これは、一方の半球と他方の半球の信号を増幅しないためです。その他の一般的なオフライン参照は次のとおりです。

• REST参照：電位がゼロである無限大でのオフライン計算参照。REST（参照電極標準化技術）は、任意の頭皮記録セットの脳内の等価ソースを踏み台として、実際の記録をオンラインまたはオフライン（平均、リンクされた耳など）の非ゼロ参照と新しい記録にリンクし、無限大ゼロを標準化された参照として使用します。^[64]
• 「リンクされた耳」：両方の耳たぶまたは乳様突起に取り付けられた電極の物理的または数学的な平均です。

平均参照モンタージュ

すべてのアンプの出力は合計され平均化され、この平均化された信号は各チャンネルの共通基準として使用されます。

ラプラシアンモンタージュ

各チャネルは、電極と周囲の電極の加重平均との差を表します。^[65]

アナログ (紙) EEG を使用する場合、技術者は記録中にモンタージュを切り替えて、EEG の特定の特徴を強調したり、よりよく特徴付けたりします。デジタル EEG では、すべての信号が通常デジタル化され、特定の (通常は参照) モンタージュに保存されます。任意のモンタージュを他のモンタージュから数学的に構築できるため、脳波計は、希望する任意の表示モンタージュで EEG を表示できます。

EEG は、臨床神経生理学者または神経科医(医療専門分野に関する現地の慣習と法律によります) によって読み取られます。臨床目的で EEG を解釈するための特別な訓練を受けた医師が最適とされます。これは、グラフォエレメントと呼ばれる波形の視覚検査によって行われます。EEG のコンピューター信号処理の使用 (いわゆる定量的脳波記録) は、臨床目的で使用する場合、多少議論を呼んでいます (研究目的での使用は多数ありますが)。

1990年代初頭、カリフォルニア大学デービス校のババク・タヘリは、マイクロマシニング技術を用いた初のシングルおよびマルチチャンネルのドライアクティブ電極アレイを実証した。シングルチャンネルドライEEG電極の構造と結果は1994年に発表された。^{[66]アレイ電極は、}銀/塩化銀電極と比較して優れた性能を発揮することも実証された。このデバイスは、インピーダンス整合によってノイズを低減する統合電子機器を備えた4つのセンサー部位で構成されていた。このような電極の利点は、(1)電解質を使用しない、(2)皮膚の準備が不要、(3)センサーサイズが大幅に小型化、(4)EEGモニタリングシステムと互換性があることである。アクティブ電極アレイは、パッケージに収められたローカル集積回路を備えた静電容量センサーのアレイと、回路に電力を供給するためのバッテリーで構成された統合システムである。このレベルの統合は、電極によって得られる機能的性能を達成するのに必要であった。この電極は電気試験台で、また被験者に対して4種類のEEG活動、すなわち(1)自発EEG、(2)感覚事象関連電位、(3)脳幹電位、(4)認知事象関連電位で試験された。乾燥電極の性能は、皮膚の準備、ゲルの必要性がない（乾燥）、およびより高い信号対雑音比の点で、標準的な湿式電極の性能と比較して良好であった。^[67]

1999年、ハンター・ペッカム率いるオハイオ州クリーブランドのケース・ウェスタン・リザーブ大学の研究者らは、64電極のEEGスカルキャップを使用して、四肢麻痺のジム・ジャティッチの限られた手の動きを取り戻した。ジャティッチが上下のような単純だが相反する概念に集中している間、彼のベータ波EEG出力は、ノイズのパターンを識別するソフトウェアを使用して分析された。基本パターンが特定され、スイッチの制御に使用された。平均以上の活動はオンに、平均以下の活動はオフに設定された。ジャティッチがコンピュータのカーソルを制御できるようにしただけでなく、信号は彼の手に埋め込まれた神経コントローラを駆動するためにも使用され、ある程度の動きを取り戻した。^[68]

2018年には、導電性カーボンナノファイバーを充填したポリジメチルシロキサンエラストマーで構成された機能的なドライ電極が報告されました。この研究は米国陸軍研究所で実施されました。^[69] EEG技術では、多くの場合、頭皮にジェルを塗布して強力な信号対雑音比を実現します。これにより、再現性と信頼性の高い実験結果が得られます。患者は髪にジェルを塗られることを嫌がり、長時間のセットアップには訓練を受けたスタッフが必要になるため、実験室の外でEEGを使用することは困難です。^[70]さらに、湿式電極センサーの性能は数時間後に低下することが観察されています。^[69]そのため、ドライおよびセミドライEEGバイオエレクトロニクスインターフェースの開発に研究が向けられています。^[要出典]

ドライ電極信号は機械的接触に依存する。そのため、皮膚と電極間のインピーダンスのため、使用可能な信号を得るのが難しい場合がある。^{[70] [69]}一部のEEGシステムでは、生理食塩水を塗布することでこの問題を回避しようとしている。^[71]他のシステムは半乾燥性で、頭皮との接触時に少量のゲルを放出する。^[70]別の解決策では、バネ式のピンセットアップを使用する。これらは不快感を与える可能性がある。また、患者が頭をぶつける可能性がある状況で使用すると、衝撃による外傷事故の後にピンが引っかかる可能性があるため、危険である可能性がある。^[69]

現在、最大30チャンネルのドライ電極を組み込んだヘッドセットが販売されています。^[72]このような設計では、プリアンプ、シールド、サポート機構を最適化することで、高インピーダンスに関連する信号品質の低下の一部を補うことができます。^[73]

EEGにはいくつかの限界がある。最も重要なのは空間分解能が低いことである。^[74] EEGは特定のシナプス後電位、すなわち皮質の表層、頭蓋骨に直接接する脳回の頂上、頭蓋骨に対して放射状に生成される電位に最も敏感である。皮質のより深部、溝内、正中線または深部構造（帯状回や海馬など）にある樹状突起、または頭蓋骨に接する電流を生成する樹状突起は、EEG信号への寄与がはるかに少ない。

EEG記録は軸索活動電位を直接捕捉するものではない。活動電位は電流四重極として正確に表すことができ、これは結果として生じる場がシナプス後電位の電流双極子によって生成される場よりも急速に減少することを意味する。^[28]さらに、EEGは数千のニューロンの平均値を表すため、記録に大きな偏向を引き起こすには同期活動中の大規模な細胞集団が必要である。活動電位は非常に高速であるため、場の合計の可能性はわずかである。しかし、典型的にはより長い樹状突起電流双極子である神経逆伝播はEEG電極によって拾うことができ、神経出力の発生の信頼できる指標となる。

脳波は軸索電流とは対照的に樹状突起電流をほぼ独占的に捉えるだけでなく、平行樹状突起の集団の活動と、同時に同じ方向に電流を伝達することを好むことも示しています。皮質層II/IIIおよびVの錐体ニューロンは、頂端樹状突起を層Iまで伸ばします。これらの突起を上下に移動する電流は、脳波によって生成されるほとんどの信号の基礎となっています。^[75]

したがって、EEG は特定のニューロンの種類、位置、および方向に大きく偏った情報を提供します。したがって、EEG は一般的に、脳全体の活動に関する主張を行うために使用すべきではありません。髄膜、脳脊髄液、および頭蓋骨は EEG 信号を「不鮮明」にし、その頭蓋内の発生源を不明瞭にします。

与えられたEEG信号に対して一意の頭蓋内電流源を再構築することは数学的に不可能である^{[14] 。なぜなら、いくつかの電流は互いに打ち消し合う電位を生成するからである。これは}逆問題と呼ばれる。しかし、記録された電流を表す少なくとも局所的な電気双極子の非常に良い推定値を生成するために多くの研究がなされてきた。 ^[要出典]

EEGは脳の活動を調べるツールとしていくつかの長所がある。EEGは数ミリ秒単位の変化を検出できるが、これは活動電位がニューロンの種類に応じて単一のニューロンを伝播するのに約0.5～130ミリ秒かかることを考慮すると優れている。^[76] PET、fMRI、fUSなど、脳の活動を見る他の方法は、数秒から数分の時間分解能を持っている。EEGは脳の電気的活動を直接測定するが、他の方法は血流（例：SPECT、fMRI、fUS）または代謝活動（例：PET、NIRS）の変化を記録し、これらは脳の電気的活動の間接的なマーカーである。

EEG は fMRI または fUS と同時に使用できるため、高時間分解能データと高空間分解能データを同時に記録できますが、それぞれから得られるデータは異なる時間経過で発生するため、データセットは必ずしもまったく同じ脳活動を表すわけではありません。EEG と fMRI を組み合わせるには、 MRI 取得中に存在するMRI 勾配アーティファクトを除去する必要があるなど、技術的な困難が伴います。さらに、MRI の磁場により、移動する EEG 電極ワイヤに電流が誘導される可能性があります。

EEG は、大きな技術的困難なしにNIRSまたは fUSと同時に使用できます。これらの手法は互いに影響を及ぼさず、組み合わせた測定により、中程度の空間解像度で電気活動と血行動態に関する有用な情報が得られます。

脳波は皮質ニューロンのシナプス後電位によって引き起こされる相関シナプス活動を反映している。高速活動電位の生成に関与するイオン電流は、脳波を表す平均場電位に大きく寄与しない可能性がある。^{[58] [77]}より具体的には、脳波を生成する頭皮電位は、一般的に樹状突起の電気活動によって引き起こされる細胞外イオン電流によって引き起こされると考えられているが、磁気脳波信号を生成する場^[28]は細胞内イオン電流に関連している。^[78]

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  顕著な安静時の活動を示す人間の脳波 - アルファリズム。左: 脳波のトレース (水平 - 時間 (秒)、垂直 - 振幅、スケール 100 μV)。右: 表示された信号のパワー スペクトル (垂直線 - 10 Hz および 20 Hz、スケールは線形)。アルファリズムは、8～12 Hz の範囲 (この場合は 11 Hz) の周波数を持つ正弦波のような波で構成され、後部でより顕著になります。アルファ範囲はパワー スペクトル グラフで赤で表示されます。
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  安静時の人間の脳波。左: 脳波のトレース (水平 – 時間 (秒)、垂直 – 振幅、スケール 100 μV)。右: 表示された信号のパワー スペクトル (垂直線 – 10 Hz および 20 Hz、スケールは線形)。80～90% の人は、8～12 Hz の範囲の周波数を持つ顕著な正弦波のような波 (アルファ リズム) を持っています。他の人 (この人など) には、このタイプの活動がありません。
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  人間の EEG に共通するアーティファクト。1: 眼球の筋肉の興奮 (たとえば、まばたきに関連) によって生じる眼電図アーティファクト。前頭部の電極に顕著な、振幅が大きく、ゆっくりとした正の波。2: P3 電極と皮膚の接触不良 (したがって、インピーダンスが大きい) によって生じる電極アーティファクト。3: 嚥下アーティファクト。4: 参照電極と皮膚の接触不良によって生じる一般的な参照電極アーティファクト。すべてのチャネルで同様の大きな波。
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  1秒間のEEG信号

EEG は、通常、(1)律動活動と (2) 過渡現象の観点から説明されます。律動活動は、周波数によってバンドに分けられます。ある程度、これらの周波数バンドは命名法の問題ですが (つまり、8～12 Hz の律動活動はすべて「アルファ」と説明できます)、これらの呼称は、特定の周波数範囲内の律動活動が頭皮上に特定の分布または特定の生物学的意義を持つことが注目されたために生まれました。周波数バンドは通常、EEGLABやNeurophysiological Biomarker Toolboxなどの無料で入手できる EEG ソフトウェアに実装されているスペクトル法 (たとえば Welch) を使用して抽出されます。EEG の計算処理は、多くの場合、定量的脳波記録(qEEG) と呼ばれます。

頭皮EEGで観察される脳信号のほとんどは1～20Hzの範囲に収まります（この範囲を下回るまたは上回る活動は、標準的な臨床記録技術では人為的なものになる可能性があります）。波形は、臨床診療で使用されるEEGの大部分を表すために、アルファ、ベータ、シータ、デルタと呼ばれる帯域幅に細分化されています。^[79]

定義に整数のみを使用するという慣習は、紙の記録では周期全体しか数えられなかった時代の実際的な配慮から来ています。このページの他の箇所で見られるように、これにより定義にギャップが生じます。理論的な定義は常に、すべての周波数を含むようにより慎重に定義されてきました。残念ながら、これらの範囲がどこであるべきかについての標準的な参考文献には合意がありません 。アルファの上限値とベータの下限値には、12、13、14、15 が含まれます。しきい値を 14 Hz とすると、最も遅いベータ波の持続時間は、最も長いスパイク (70 ms) とほぼ同じになり、これが最も有用な値になります。

• デルタ波は、4 Hz までの周波数範囲です。振幅が最も大きく、最も遅い波になる傾向があります。成人の徐波睡眠では通常見られます。また、乳児でも通常見られます。皮質下病変で局所的に発生することもあれば、びまん性病変、代謝性脳症、水頭症、または深正中線病変で全身に分布して発生することもあります。成人では通常、前頭部 (例: FIRDA – 前頭間欠性律動デルタ) に最も顕著で、小児では後頭部 (例: OIRDA – 後頭間欠性律動デルタ) に最も顕著です。

• シータは4Hzから7Hzの周波数範囲です。シータは幼児に通常見られます。年長児や成人の眠気や覚醒時に見られることがあり、瞑想中にも見られます。^[86]年齢に対して過剰なシータは異常な活動を表します。局所的な皮質下病変の局所的な障害として見られることがあり、びまん性障害や代謝性脳症、深部正中線障害、または水頭症の一部の症例では全身分布として見られることがあります。逆に、この範囲はリラックスした状態、瞑想状態、創造的状態との関連が報告されています。

• アルファは8Hzから12Hzの周波数範囲です。 ^[87] ハンス・ベルガーは、彼が観察した最初のリズミカルな脳波活動を「アルファ波」と名付けました。これは「後部基本リズム」（「後部優位リズム」または「後部アルファリズム」とも呼ばれる）であり、両側の頭の後部に見られ、優位側で振幅が大きくなっています。目を閉じたりリラックスしたりすると現れ、目を開けたり精神的に努力したりすると弱まります。後部基本リズムは、実際には幼児では8Hzよりも遅くなります（したがって、技術的にはシータ範囲です）。

後部基本リズムに加えて、手や腕が動かないときに現れるミューリズム（対側感覚および運動皮質領域のアルファ活動）や「第3のリズム」（側頭葉または前頭葉のアルファ活動）などの他の正常なアルファリズムがあります。 ^{[88] [89]}アルファは異常である可能性があります。たとえば、昏睡中に拡散アルファが発生し、外部刺激に反応しない脳波は「アルファ昏睡」と呼ばれます。

• ベータ波は、13Hzから約30Hzの周波数範囲です。通常は左右両側に対称的に見られ、前頭部で最も顕著です。ベータ波の活動は運動行動と密接に関連しており、一般的には能動的な運動中に減衰します。^[90]多様で変動する周波数を伴う低振幅のベータ波は、活動的、忙しい、または不安な思考や能動的な集中力と関連することがよくあります。優勢な周波数セットを伴う律動的なベータ波は、Dup15q症候群などのさまざまな病状や、特にベンゾジアゼピン系の薬物の影響と関連しています。皮質損傷の領域では、欠落しているか減少している可能性があります。これは、警戒している、不安である、または目を開けている患者の主なリズムです。

• ガンマは約30～100Hzの周波数範囲です。ガンマリズムは、特定の認知機能や運動機能を実行するために、異なるニューロン集団がネットワークに結合することを表していると考えられています。^[14]
• Mu の範囲は 8～13 Hz で、他の周波数と部分的に重なっています。これは、安静時の運動ニューロンの同期発火を反映しています。Mu の抑制は、運動ミラーニューロンシステムを反映していると考えられています。これは、動作が観察されるとパターンが消えるためです。これは、通常のニューロンシステムとミラーニューロンシステムが「同期しなくなり」、互いに干渉するためと考えられます。^[85]

一部の研究環境では、DC アンプを使用して「超低速」または「DCに近い」アクティビティが記録されます。これらの周波数の信号はさまざまなアーティファクトの影響を受けやすいため、臨床環境では通常記録されません。

EEG の一部の特徴は、リズミカルというよりは一過性です。スパイクや鋭い波は、てんかん患者またはてんかん素因を持つ人の発作活動または発作間欠期活動を表す場合があります。その他の一過性の特徴は正常です。正常な睡眠では、頂点波と睡眠紡錘波が見られます。

統計的には珍しいものの、機能障害や疾患とは関連がない活動の種類があります。これらは「正常変異」と呼ばれることがよくあります。ミューリズムは正常変異の一例です。

正常な脳波 (EEG) は年齢によって異なります。出生前脳波と新生児脳波は成人の脳波とはまったく異なります。妊娠後期の胎児と新生児は、「不連続」と「トレース交互」という 2 つの一般的な脳活動パターンを示します。「不連続」電気活動は、低周波の波が続く鋭い電気活動のバーストを指します。「トレース交互」電気活動は、鋭いバーストの後に短い高振幅の間隔が続くことを意味し、通常は新生児の静かな睡眠を示します。^[91]小児の脳波は、一般的に成人の脳波よりも周波数の振動が遅いです。

正常な EEG も状態によって異なります。 EEG は、他の測定 ( EOG、EMG )とともに、睡眠ポリグラフ検査で睡眠段階を定義するために使用されます。ステージ I の睡眠 (一部のシステムでは眠気に相当) は、EEG 上で後部基本リズムのドロップアウトとして現れます。シータ周波数が増加することがあります。サンタマリアとチアッパは、眠気に関連するさまざまなパターンをいくつかカタログ化しました。ステージ II の睡眠は、睡眠紡錘波 (前頭中心が最大となる 12～14 Hz の範囲 (「シグマ」バンドと呼ばれることもあります) の一時的なリズミカルな活動) によって特徴付けられます。ステージ II の活動のほとんどは、3～6 Hz の範囲です。ステージ III と IV の睡眠は、デルタ周波数の存在によって定義され、まとめて「徐波睡眠」と呼ばれることがよくあります。ステージ I から IV は、非レム (または「NREM」) 睡眠で構成されます。レム睡眠（急速眼球運動睡眠）中の脳波は、覚醒時の脳波と多少似ています。

全身麻酔下の脳波は、使用される麻酔薬の種類によって異なります。ハロタンなどのハロゲン化麻酔薬やプロポフォールなどの静脈麻酔薬では、頭皮の大部分、特に前頭部に、急速な（アルファ波または低ベータ波）非反応性脳波パターンが見られます。古い用語では、これは WAR（広範囲にわたる前部急速）パターンと呼ばれ、高用量の麻薬に関連する WAIS（広範囲にわたる緩慢）パターンとは対照的でした。脳波信号に対する麻酔効果は、さまざまな種類のシナプスや同期したニューロン活動を可能にする回路に対する薬物作用のレベルで理解され始めています。^[92]

EEG は脳の活動を研究するのに非常に有用な技術ですが、測定された信号は常にアーティファクトによって汚染されており、データの分析に影響を与える可能性があります。アーティファクトとは、脳内で発生しない測定信号のことです。アーティファクトを除去するためのアルゴリズムは複数存在しますが、アーティファクトをどのように処理するかという問題は未解決のままです。アーティファクトの原因は、電極の欠陥、ライン ノイズ、高電極インピーダンスなどの機器関連の問題である場合もあれば、記録対象の被験者の生理機能に起因する場合もあります。これには、まばたきや動き、心臓活動、筋肉活動などが含まれる可能性があり、これらのタイプのアーティファクトは除去がより複雑です。アーティファクトは、アルツハイマー病や睡眠障害などの問題の診断に影響を与える可能性のある認知活動を模倣する可能性があるため、EEG データの視覚的解釈に偏りが生じる可能性があります。そのため、実際のアプリケーションで使用される EEG データからこのようなアーティファクトを除去することは非常に重要です。^[93]

EEG データの誤った解釈を防ぐためには、アーティファクトと本物の脳活動を区別できることが重要です。データからアーティファクトを除去するための一般的なアプローチは、防止、拒否、およびキャンセルです。どのアプローチでも、EEG 信号の品質に影響を与えずにアーティファクトを識別して除去できる方法論を開発することが目標です。アーティファクトの発生源は非常に異なるため、大多数の研究者は、信号内の 1 種類のノイズを識別して除去するアルゴリズムの開発に重点を置いています。ノッチ フィルターを使用した単純なフィルター処理は、50 /60 Hz 周波数の成分を拒否するためによく使用されます。ただし、このような単純なフィルターはすべてのアーティファクトを処理するための適切な選択ではありません。一部のアーティファクトの周波数は EEG 周波数と重なるためです。

回帰アルゴリズムは、計算コストが中程度で、単純です。1990 年代半ばまで、回帰アルゴリズムは最も一般的な補正方法でしたが、その後「ブラインド ソース分離」タイプの方法に置き換えられました。回帰アルゴリズムは、すべてのアーティファクトが 1 つ以上の参照チャネルで構成されているという前提で機能します。時間領域または周波数領域のいずれかで、参照チャネルが他のチャネルに与える影響を推定することにより、これらの参照チャネルを他の汚染されたチャネルから減算すると、アーティファクトのチャネルが補正されます。参照チャネルの要件により、このクラスのアルゴリズムは最終的に置き換えられましたが、それでも最新のアルゴリズムを評価するためのベンチマークとなっています。^[94] アーティファクトを除去するために使用されるブラインド ソース分離 (BSS) アルゴリズムには、主成分分析(PCA) と 独立成分分析(ICA) があり、このクラスのいくつかのアルゴリズムはほとんどの生理学的アーティファクトに対処するのに成功しています。^[94]

眼球アーティファクトは EEG 信号に重大な影響を及ぼします。これは、眼球運動によって眼球の周囲の電界が変化し、頭皮上の電界が歪むためです。また、EEG は頭皮で記録されるため、記録された信号が歪むのです。研究者の間で意見の相違があり、眼球アーティファクトは単一の発生器である、または合理的に説明できると主張する研究者もいれば、潜在的に複雑なメカニズムを理解することが重要だと主張する研究者もいます。眼球アーティファクトを説明するために、3 つの潜在的なメカニズムが提案されています。

1 つ目は角膜網膜双極子運動で、角膜は正に帯電し、網膜は負に帯電しているため、角膜と網膜の間に電気双極子が形成されるというものです。眼球が動くと、この双極子も動き、頭皮上の電界に影響を及ぼします。これが最も標準的な見解です。2 つ目のメカニズムは網膜双極子運動で、1 つ目のメカニズムと似ていますが、電位差があるため網膜全体に双極子が生じ、角膜はほとんど影響を及ぼさないという点で異なります。3 つ目のメカニズムはまぶたの動きです。まぶたが動くと、眼球が動かなくても目の周りの電圧が変化することが知られています。まぶたは滑る電位源として説明でき、まばたきの影響は記録された脳波上の眼球運動とは異なると考えられています。^[95]

特徴的なタイプのまぶたの震えアーティファクトは、以前はカッパリズム（またはカッパ波）と呼ばれていました。これは通常、前頭葉誘導、つまり目の真上に見られます。精神活動で見られる場合もあります。これらは通常、シータ（4〜7 Hz）またはアルファ（7〜14 Hz）の範囲にあります。これらは脳から発生すると考えられていたため、この名前が付けられました。後の研究で、これらはまぶたの急速な震えによって発生し、非常に小さいため見分けるのが難しい場合もあることが明らかになりました。これらは実際には脳波の読み取りにおけるノイズであり、厳密にはリズムや波と呼ぶべきではありません。そのため、現在、脳波検査では、この現象をカッパリズム（または波）ではなく、まぶたの震えアーティファクトと呼んでいます。^[96]

眼球アーティファクトの伝播は、被験者の頭蓋骨、神経組織、皮膚の特性など、複数の要因によって影響を受けますが、信号は目からの距離の2乗に反比例すると近似できます。眼球運動図（EOG）は、目の近くの電圧変化を測定する一連の電極で構成されており、EEG信号の眼球運動アーティファクトに対処するための最も一般的なツールです。^[95]

アーティファクトのもう 1 つの発生源は、体全体のさまざまな筋肉の動きです。この特定の種類のアーティファクトは、通常、筋原性活動(血圧の上昇または低下) により、頭皮のすべての電極によって記録されます。これらのアーティファクトの発生源は 1 つの場所ではなく、機能的に独立した筋肉グループから発生するため、アーティファクトの特性は一定ではありません。筋肉アーティファクトによる観察パターンは、被験者の性別、特定の筋肉組織、およびその収縮度合いに応じて変化します。筋肉アーティファクトの周波数範囲は広く、すべての典型的な EEG リズムと重なります。ただし、ほとんどのパワーは、観察される周波数の 20 ～ 300 Hz の低い範囲に集中しているため、ガンマ帯域は特に筋肉アーティファクトの影響を受けやすくなります。一部の筋肉アーティファクトは 2 Hz という低い周波数で活動することがあるため、デルタ帯域とシータ帯域も筋肉活動の影響を受ける可能性があります。筋肉アーティファクトは睡眠研究に影響を与える可能性があります。無意識の歯ぎしり(歯ぎしり) の動きやいびきは、記録された EEG の品質に重大な影響を与える可能性があるためです。さらに、てんかん患者の記録は筋肉のアーティファクトの存在によって大きな影響を受ける可能性がある。^[97]

心臓活動による電位は、脳波に心電図（ECG）誤差をもたらします。^[98]心臓活動によって生じるアーティファクトは、ECG参照信号の助けを借りて除去することができます。^[93]

舌運動アーティファクトは、舌の根元と先端の間の電位差によって発生します。特にパーキンソン病や振戦障害の場合、舌のわずかな動きが脳波に悪影響を及ぼすことがあります。^[要出典]

体によって生成されるアーティファクトに加えて、多くのアーティファクトは体外から発生します。患者の動き、または電極を単に固定するだけでも、電極ポップ、つまり特定の電極のインピーダンスの瞬間的な変化から発生するスパイクが発生する可能性があります。EEG 電極の接地が不十分な場合、ローカル電源システムの周波数に応じて、50 Hz または 60 Hz の顕著なアーティファクトが発生する可能性があります。干渉の可能性のある 3 番目の原因は、点滴の存在です。このようなデバイスは、スパイクと混同される可能性のある、リズミカルで高速な低電圧バーストを引き起こす可能性があります。^{[引用が必要]}

異常活動は、てんかん性活動と非てんかん性活動 に大別できます。また、局所性または拡散性に分けることもできます。

局所性てんかん様放電は、脳のやや離れた領域にある多数のニューロンの高速で同期した電位を表します。これらは発作間の間欠期活動として発生することがあり、てんかん発作を起こしやすい皮質の過敏性領域を表します。発作間欠期放電は、患者がてんかんを患っているかどうか、また発作の発生源がどこであるかを判断する上で完全に信頼できるものではありません。(局所性てんかんを参照)

全般性てんかん性放電は前頭部に最大放電を示すことが多いですが、脳全体に同期して見られます。全般性てんかんを強く示唆します。

局所的な非てんかん性の異常活動は、皮質または白質の局所的な損傷がある脳の領域で発生することがあります。多くの場合、低周波リズムの増加および/または正常な高周波リズムの喪失で構成されます。また、EEG 信号の振幅の局所的または片側の低下として現れることもあります。

びまん性の非てんかん性異常活動は、びまん性の異常に遅いリズム、または PBR などの正常なリズムの両側性遅延として現れることがあります。

皮質内脳波電極と硬膜下電極を併用することで、てんかん様症状やその他の重篤な神経学的事象からアーティファクトを区別し、分離することができます。

異常な脳波信号のより高度な測定法は、アルツハイマー病などのさまざまな疾患のバイオマーカーとして最近注目されています。^[99]

脳波から想像上の音声をデコードするシステムは、脳コンピュータインターフェースなどの用途に応用されている。^[100]

国防総省（DoD）、退役軍人省（VA）、および米陸軍研究所（ARL）は、戦闘中の兵士の軽度から中等度の外傷性脳損傷（mTBI）を検出するために、EEG診断で協力しました。 ^[101] 2000年から2012年の間に、米軍の作戦中の脳損傷の75％がmTBIに分類されました。これに対応して、国防総省はこの損傷に対処するために、mTBIを迅速かつ正確に、非侵襲的に、現場で検出できる新しい技術を追求しました。^[101]

戦闘員はPTSDとmTBIを相関して発症することが多い。どちらの症状も、低周波脳波の振動が変化した状態で現れる。^[102] PTSD患者の脳波の変化は低周波振動の減少を伴い、mTBIの傷害は低周波波の振動の増加と関連している。効果的なEEG診断は、医師が症状を正確に特定し、傷害を適切に治療して長期的な影響を軽減するのに役立ちます。^[103]

従来、脳波の臨床評価には視覚検査が含まれていました。脳波振動トポグラフィーの視覚的評価の代わりに、コンピューター化されたアルゴリズム手法である定量的脳波記録法 (qEEG) は、脳の特定の領域を分析し、データをその領域の意味のある「パワースペクトル」に変換します。^[101] mTBI と PTSD を正確に区別することで、患者の回復結果が大幅に向上します。特に、神経伝達の長期的な変化は、最初の mTBI 事件後も持続する可能性があるためです。^[103]

EEGデータから行われるもう一つの一般的な測定は、レンペル・ジフ複雑度、フラクタル次元、スペクトル平坦度^[25]などの複雑性の測定であり、これらは特定の病状や病理の段階に関連付けられています。

安価な EEG デバイスは、低コストの研究および消費者市場向けに存在します。最近、いくつかの企業が医療グレードの EEG 技術を小型化し、一般の人が利用できるバージョンを作成しました。これらの企業の中には、小売価格が 100 ドル未満の商用 EEG デバイスを製造した企業もあります。

• 2004 年に OpenEEG は ModularEEG をオープン ソース ハードウェアとしてリリースしました。互換性のあるオープン ソース ソフトウェアには、ボールのバランスを取るゲームが含まれています。
• 2007年、NeuroSkyはゲームNeuroBoyとともに、消費者向けの最初の手頃な価格のEEGをリリースしました。これは、ドライセンサー技術を使用した最初の大規模なEEGデバイスでもありました。^[104]
• 2008 年にOCZ Technology は、主に筋電図を利用したビデオ ゲーム用デバイスを開発しました。
• 2008年、ファイナルファンタジーの開発元であるスクウェア・エニックスは、 NeuroSkyと提携してゲーム「Judecca」を制作すると発表した。^{[105] [106]}
• 2009年にマテルはニューロスカイと提携して、脳波を使って障害物コースでボールを操縦するゲーム「マインドフレックス」を発売した。これは現在までに消費者向け脳波計としては群を抜いて最も売れている製品である。^{[105] [107]}
• 2009年、アンクル・ミルトン・インダストリーズはニューロスカイと提携し、フォースを所有しているという幻想を作り出すゲーム「スター・ウォーズ ・フォース・トレーナー」をリリースした。^{[105] [108]}
• 2010年にNeuroSkyはMindSetに瞬きと筋電図機能を追加しました。^[109]
• 2011年、NeuroSkyは教育目的とゲーム用に設計されたEEGデバイスであるMindWaveをリリースしました。^[110] MindWaveは「脳制御インターフェースを使用して動かされた最も重い機械」としてギネス世界記録賞を受賞しました。^[111]
• 2012年、日本のガジェットプロジェクトであるニューロウェアが、モーター付きの猫耳ヘッドセット「Necomimi」をリリースした。このヘッドセットはNeuroSky MindWaveユニットで、猫の耳があると思われるヘッドバンド部分に2つのモーターが付いている。猫の耳のような形のカバーがモーターの上にかぶさっており、デバイスが感情状態を認識すると、耳がそれに応じて動く。たとえば、リラックスしているときは耳が横に下がり、興奮すると再びピンと立つ。
• 2013 年の Kickstarter キャンペーンの成功を受けて、 OpenBCI は2014 年に同名のオープンソースブレイン コンピューター インターフェイスをリリースしました。後に「Cyton」と改名されたこのボードには 8 つのチャンネルがあり、Daisy モジュールを使用して 16 チャンネルまで拡張できます。EEG、EKG、EMG をサポートしています。Cyton ボードは Texas Instruments ADS1299 ICと Arduino または PIC マイクロコントローラーをベースとしており、当初の価格は 399 ドルでしたが、その後 999 ドルに値上がりしました。標準的な金属カップ電極と導電性ペーストを使用しています。
• 2015年、マインドソリューションズ社はこれまでで最も小型の消費者向けBCIであるNeuroSyncを発売した。このデバイスはBluetoothイヤピースほどの大きさでドライセンサーとして機能する。 ^[112]
• 2015年、中国に拠点を置くMacrotellect社は、AppleとAndroidのApp Storeで20種類の脳フィットネス強化アプリを提供する消費者向けEEGウェアラブル製品であるBrainLink ProとBrainLink Liteをリリースした。^[113]
• 2021年に、BioSerenityは、従来のカップ電極と同等の品質で記録できる使い捨てEEGヘッドセットであるNeuronauteとIcecapをリリースしました。^{[114] [115]}

EEGは、臨床診断や従来の認知神経科学の従来の用途以外にも、多くの目的で使用されています。初期の使用法としては、第二次世界大戦中にアメリカ陸軍航空隊が、発作を起こす危険性のあるパイロットを選別するために使用しました。^[116]てんかん患者の長期EEG記録は、今日でも発作の予測に使用されています。ニューロフィードバックは重要な拡張機能であり、最も高度な形式では、脳コンピューターインターフェースの基礎としても試みられています。^{[117] EEGは、}ニューロマーケティングの分野でもかなり広範囲に使用されています。

脳波は、脳機能に影響を及ぼす薬物、つまり精神薬理学の基礎となる化学物質によって変化します。バーガーの初期の実験では、薬物が脳波に与える影響を記録しました。薬物脳波記録の科学では、治療や娯楽目的で脳機能を体系的に変化させる物質を特定する方法が開発されました。

ホンダは、オペレーターが脳波を使ってアシモロボットを制御できるシステムの開発を試みており、最終的にはこの技術を自動車に組み込むことを望んでいる。^[118]

インドのマハラシュトラ州では、脳波が刑事裁判の証拠として使われてきた。^{[119] [120]} マハラシュトラ州対シャルマ裁判では、脳波技術の一種であるBEOS（脳電気振動特性プロファイリング）が使用され、シャルマがヒ素を使って元婚約者を毒殺したことを覚えていたことが示されたが、BEOSの信頼性と科学的根拠は議論の的となっている。^[121]

現在、EEGデバイスをより小型化し、よりポータブルで、より使いやすくするための研究が数多く行われています。いわゆる「ウェアラブルEEG」は、低電力のワイヤレス収集電子機器と、導電性ゲルを使用する必要のない「ドライ」電極の作成に基づいています。^{[122]ウェアラブルEEGは、}耳EEGのように、一度に数日、数週間、または数か月間EEGを記録できる、頭部にのみ装着する小型EEGデバイスの提供を目指しています。このような長期にわたる使いやすいモニタリングは、てんかんなどの慢性疾患の診断に大きな変化をもたらし、BCIシステムのエンドユーザーの受け入れを大幅に改善する可能性があります。^[123]データ削減アプローチを使用してウェアラブルEEGデバイスのバッテリー寿命を延ばすための特定のソリューションを特定する研究も行われています。

研究では、現在、EEGは機械学習と組み合わせて使用​​されることが多い。^[124] EEGデータは前処理され、機械学習アルゴリズムに渡される。これらのアルゴリズムは、統合失調症^[125] 、てんかん^{[126] 、}認知症^[127]などのさまざまな疾患を認識するようにトレーニングされる。さらに、発作検出の研究にもますます使用されている。^{[128] [129] [130] [131]}機械学習を使用することで、データを自動的に分析できる。長期的には、この研究は、医師の臨床診療を支援するアルゴリズムを構築し^[132]、疾患に対するさらなる洞察を提供することを目的としています。^{[133]この意味で、} Lempel-Ziv複雑性、フラクタル次元、スペクトル平坦性など、EEGデータの複雑性指標が計算されることが多い。 [25]このような指標を組み合わせたり掛け合わせたりすると、EEGデータに以前は隠されていた情報が明らかになることが示されている。 [ ^{25 ]}

ミュージシャンの脳波信号は、コロンビア大学のコンピュータ音楽センターでブラッド・ガートンとデイブ・ソルジャーが運営するブレインウェーブ・ミュージック・プロジェクトによって、即席の楽曲と1枚のCDを作成するために使用されました。^{[引用が必要]同様に、}アン・ドルーヤンの脳波の1時間にわたる録音は、 1977年にボイジャー探査機で打ち上げられたボイジャーのゴールデンレコードに収録されました。これは、地球外知性が彼女の思考を解読できる場合に備えてのもので、その思考には恋に落ちるとはどういうことかということも含まれていました。^{[引用が必要]}

1875年、リバプールで開業していた医師リチャード・ケイトン（1842-1926）は、ウサギとサルの露出した大脳半球の電気的現象に関する発見を英国医学雑誌に発表した。1890年、ポーランドの生理学者アドルフ・ベックは、ウサギと犬の脳の自発的な電気活動に関する調査結果を発表した。この調査には光によって変化するリズミカルな振動が含まれていた。ベックは動物の脳の電気的活動に関する実験を開始した。ベックは感覚刺激をテストするために脳の表面に直接電極を置いた。変動する脳活動の観察から、脳波という結論に至った。^[134]

1912年、ウクライナの生理学者ウラジミール・ウラジミロヴィッチ・プラヴディチ・ネミンスキーは、最初の動物の脳波と哺乳類（犬）の誘発電位を発表しました。 ^[135] 1914年、ナポレオン・ツィブルスキーとイェレンスカ・マチェシナは、実験的に誘発された発作の脳波記録を撮影しました。^[要出典]

ドイツの生理学者で精神科医のハンス・ベルガー（1873年 - 1941年）は、1924年に初めて人間の脳波を記録した。^[136]リチャード・ケイトンらが以前に動物で行った研究を発展させ、ベルガーは脳波計（この装置の名前の由来）も発明した。この発明は「臨床神経学の歴史の中で最も驚くべき、注目すべき、そして重大な進歩の1つ」と評されている。^{[137]彼の発見は、1934年にイギリスの科学者}エドガー・ダグラス・エイドリアンとBHCマシューズによって初めて確認され、彼らによって開発された。

1934年、フィッシャーとローウェンバッハが初めててんかん様スパイクを実証した。1935年、ギブス、デイビス、レノックスが発作間欠期スパイク波と臨床欠神発作の3周期/秒パターンを記述し、臨床脳波記録の分野が始まった。^[138]その後、1936年にギブスとジャスパーが発作間欠期スパイクをてんかんの局所的特徴として報告した。同年、マサチューセッツ総合病院に最初の脳波研究室が開設された。^[要出典]

ノースウェスタン大学の生物物理学教授フランクリン・オフナー (1911-1999) は、クリスグラフと呼ばれる圧電インクライターを組み込んだ EEG のプロトタイプを開発しました (この装置全体は一般にオフナー ダイノグラフと呼ばれていました)。

1947 年にアメリカ脳波学会が設立され、最初の国際脳波会議が開催されました。1953 年にAserinskyとKleitman がREM 睡眠について説明しました。

1950 年代、ウィリアム グレイ ウォルターはEEG の補助として EEG トポグラフィーを開発しました。これにより、脳の表面全体の電気活動をマッピングできるようになりました。これは 1980 年代に短期間人気を博し、特に精神医学に有望視されました。しかし、神経学者に受け入れられることはなく、主に研究ツールとして残っています。

ベックマン・インストゥルメンツ社製の脳波計システムは、ジェミニ計画の有人宇宙飛行（1965年～1966年）の少なくとも1回で、飛行中の宇宙飛行士の脳波をモニターするために使用されました。これは、NASA向けに特化され、NASAが使用した多くのベックマン・インストゥルメンツ社の機器の1つでした。^[139]

1988年に初めてEEGが物理的な物体、ロボットの制御に使用された。ロボットは被験者のアルファ波活動に応じて線をたどったり停止したりする。被験者がリラックスして目を閉じてアルファ波活動が増加すると、ロボットは移動する。目を開けてアルファ波活動が減少すると、ロボットは軌道上で停止する。^[140]

• 「Matlab で EEG ソースをシミュレートおよび推定するチュートリアル」。2016 年 3 月 7 日のオリジナルからアーカイブ。
• 「進行中、誘発、および誘導されたニューロン活動の分析に関するチュートリアル: パワースペクトル、ウェーブレット解析、およびコヒーレンス」。2018 年 11 月 7 日のオリジナルからアーカイブ。