做这个系列的初衷是：随着粉丝量的增加，我发现关注这个公众号的粉丝大致可以分成三种：1、神经内外科、康复科的医学生；2、进行医工交叉研究的工科生（脑机接口方向）；3、生物科学方向的学生。在和其中的一些粉丝交流学习之后产生了一种感受，就是学科交叉之间确实存在着一定的信息壁垒，很多对于医学生或生物学学生很熟悉的概念，工科生却不甚了解，反之亦然。而且往往这种跨学科的新晋研究者们也不知道去哪里找相关的知识入门，因此我也萌生了做几期入门级的神经电生理概念普及系列。
那为什么选择从肌电图开始呢，因为无论肌电、脑电、心电、眼电，其本质都是一种生物电信号，数据类型都是时间序列，我个人认为像肌肉收缩以及神经传导这种看得见摸得着的概念更便于大家的理解。
广义上的肌电图有很多种，我模仿脑机接口研究的方式将其大致分类为侵入式和非侵入式的，顾名思义，侵入式的需要电极扎入肌肉之中收集肌电信号，而非侵入式的则不需要。
一般来说，由于非侵入式自身特点泛用性比较强，应用范围会比较广，绝大多数研究者都会选择从非侵入式入门，非侵入式又可细分为
神经传导速度检测（nerve conduction velocity，NCV)、
表面肌电图（suface electromyography,sEMG）、
皮肤交感反应(Skin Sympathetic Response，SSR)等等。
概念比较繁杂，但其基本原理都是一致的——使用表面肌电电极检测皮肤上的电压信号，然后将这个模拟信号以一定的采样率收集为离散的数字信号，并将收集而来的信号按照时间顺序排列，从而形成一条线，那么我们肉眼看到的这根线就是肌电图！
首先我们要先知道一个很重要的概念——动作电位，绝大多数的生物电的产生都与之相关。
简单来说，由于离子通道和转运机制的存在，神经细胞在静息状态时，其细胞膜外正离子较多，细胞内负离子较多，电位呈现外正内负的状态也称为静息电位。此时突然的一个触发事件发生后（我们可以想象为在试图用力收缩肌肉），神经细胞开始去极化，并使得神经电位沿神经细胞传播（具体机制和流程可详见生理学），那我们暂且不管细节，就抽象的理解为神经电位如下图这样沿着一条通路直线传播。
上图即为一个动作电位产生和传导的过程的示意图，我们可以这样简化理解（实际情况中涉及电化学突触、郎飞结、容积传导、不应期等等概念会增加复杂度，我们暂且忽略）。另外此处需要澄清一个概念，我们下文所说的动作电位或神经电位，实际上是想指代多个运动单元动作电位（Motor Unit Action Potential，MUAP）的时空总和，因为在实际测量中，我们几乎无法单独测定一根神经纤维（单纤维肌电图我们以后再谈），而是测多个神经纤维放电的综合值，多个不同神经纤维放电的位置代表了其空间分布，这些不同的神经纤维的放电顺序则是其时间分布，因此最后测量的是多个MUAP的时空总和。
那么知道了神经电位信号的传播方式，对我们实际生活有什么帮助呢？
我们先来以神经传导速度的检测流程为例来说明。上图是一个神经传导速度检测的示意图，设想一下，我们在手指处粘上记录电信号的电极（G1,G2）和地线（Ground），然后先在A处给予一个电刺激，诱发出一个电位开始向下传导（实际是双向传播，这里我们只关注向下部分），此时在G1处可以记录到神经传导而来的动作电位。由于神经电位的传导是需要时间的，因此我们可以记录发出电刺激时的时间戳T1以及G1处信号开始呈上升趋势的起始点（动作电位起始处）的时间戳T2，T2减去T1即为动作电位从A点传导到G1点的时长D1。同理可得刺激B处和记录G1处传导所用的时长D2。然后D2减去D1即为电位从B处传导到A处所用的时间，然后我们再拿个小尺子量一下B到A的距离得到L，距离除以时间即为速度（L/(D2-D1)=V）,这个速度我们就将其视为这根神经传导的速度。
以上便是整个神经传导速度检测的原理，是不是很好理解呢？
但可能看完之后大家还存在一些问题，比如上述过程的描述中只提到了G1（记录电极），那么G2（参考电极）和地（ground）的作用是什么呢？这里简单介绍一些生物电信号的采集原理（涉及部分电路知识，工科生较为熟悉）。
大家初高中的时候都学过一些电路基本知识，比如欧姆定律，也接触过电压表，可以用来测量电压，那么肌电信号本质就是检测电极处每个时间点的电压值，然后按照时间顺序连接起来，形成肌电信号序列。
这种生物电信号的检测的关键元件是差分放大器，其原理是放大并输出两个相距不远的电极的信号之差，从而使共模信号（噪音或干扰）相互抵消。这里提取两个关键点：1、放大；2、差分。
先说说为什么要放大，这个很好理解，我们人体自然带着一些生物电，但都相当微弱（比如两人握手并不会导致一人持续电击另外一人- -），基本都在μV级别，因此想要检测到这些电压值并和后续的分析电路配合，我们要将其放大到一个仪器能够识别的范围。
因为在实际检测过程中，各种环境会带来不同的噪声信号，比如最常见的工频干扰（50Hz），这时候我们就可以使用两个输入端（G1/G2）记录采集信号，由于环境噪音会同相、等幅作用于差分放大器的两个输入端（G1/G2），我们称之为共模噪声，那这个共模噪声在经过差分放大器后就会互相抵消，仅留下我们想要的差分信号。
如上图所示，A展示差分信号被放大了1000倍，B展示了共模信号衰减为原来的一半。（以及共模抑制比的计算和单位）
这里放一个重要概念，共模抑制比（CMRR），它是衡量差分放大电路的一个重要指标。现代电诊断设备的CMRR基本都能达到100dB以上，我们简单拿个ADS1298（芯片）的数据文档来看下。
可以看到现在几十块钱一块的生物电势测量芯片都能达到100dB以上的CMRR。
由上述过程，信号经差分放大器放大近千倍后输出，此时仍为连续的电压的波动，也就是一种模拟信号，但我们想要分析该数据，则需要转换为数字信号以便是计算机来识别，因此使用模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）芯片对电压的波动进行采样，采样频率要满足奈奎斯特定律以避免失真（现代设备基本都能达到500Hz左右）。最后输出为数字信号并可以保存在现代计算机设备上以供后续的作图或分析。
如上图所示，A图展示的是原始的电压波动（频率1Hz,振幅1mV）。B图显示使用0.9Hz采样时（不满足奈奎斯特定理时）会发生混叠，最终形成了完全失真的数字信号。C图展示的是使用100Hz的频率采样，但使用3位AD转换器形成的数字信号，意味着精度很低，类似计算机存储浮点数时的16位精度和8位精度的差别，因此可以看到形成的正弦波不够平滑。最后D图展示使用8位AD转换器以100Hz采样的数字信号，可以看出其表现更为优异。
注：通过上面的介绍我们可以发现，实际上记录电极和参考电极是输入进差分放大器的一对差分信号，而地是用于指示0V参考值，肌电图机器外壳要接地面，那个地（earth）和测量电极中的地（ground）并不是一回事！而且并不是说设备一定要连接地面（比如便携式肌电图就是浮地的）。这个命名困扰了我很久，后来学了一点电路基础才理解了。不太清楚的同学可以看这里
https://www.bilibili.com/video/BV1tsJJziE8z/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_default_collection.content.click&vd_source=e65cc4bf135bb16fda9c1e0e9a00ca90
那么以上就是肌电信号从人体里的生物电到电路里的模拟信号再到计算机中的数字信号最终显示到我们屏幕上的整个过程。
那么有了检测神经传导速度的能力，能为我们提供什么便利呢？
最常见的用法就是检查人体神经有没有病变以及在哪有病变，我们可以把人的神经想象成机器人的电线，如果一根电线有一个断开的地方，那么机器人芯片发出的指令就无法通过这根电线准确的下传至末端的电机处，也就无法正常运转。人体也是同理，不过人体往往不会出现这么严重的问题（断开），而是会有一些脱髓鞘改变（可以理解为电线秃噜皮了）或者是部分神经纤维的坏死（电线的铜芯变细了），其造成的结果就是神经传导的速度减慢或者波幅减低。
上图为不同亚型吉兰-巴雷综合征（GBS）病理机制，正好能对应我们上面的两种情况。在急性炎性脱髓鞘性多发性神经根神经病（AIDP）中病变主要累及髓鞘（黄色部分），而急性运动轴索性神经病（AMAN）中病变主要累及轴索（紫色部分）。
因此反过来说，当我们检测到某人的某根神经的传导速度或者波幅小于正常人群的分布区间，那我们就可以合理怀疑神经存在疾病（比如糖尿病周围神经病变等等）。
本期到此结束了，下期在理解了肌电信号的产生后顺势讲讲表面肌电图，希望将来会开更多新坑，提供更多神经电生理相关知识。
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