生物科實驗: 電眼電位測量(Electrooculography, EOG)-探索眼睛的微小電訊號

<本內容參考Backyard Brains參考資源，轉載請註明出處>

探索你的眼睛如何在移動時產生微小的電壓變化，揭示凝視背後的隱藏訊號。

透過電眼電位法 (Electrooculography, EOG)，你可以測量眼球運動時的微弱電訊號，了解眼睛與大腦如何協同控制視覺動作。

你將學到什麼？

• 如何測量眼睛之間的恆定電壓差。
• 眼球的左右、上下移動以及眨眼如何產生可偵測的電訊號。
• 電生理實驗中的電極放置與訊號偵測技巧。

實驗設備與材料

為了進行 EOG 電生理實驗，你需要以下設備與材料：

• 人體電訊號盒：用於放大與記錄微弱生理訊號。
• 專用頭帶：方便將電極固定於眼睛周圍，保持穩定接觸。
• 電極貼片(Electrodes)：至少三片，分別記錄眼睛左右或上下電位變化。
• 導電凝膠 (Electrode Gel)：增強電極與皮膚的接觸，提升訊號品質。
• 電腦或平板：搭配 SpikeRecorder 軟體進行數據記錄與分析。
• 文具或標記貼紙（選用）：方便標示電極位置或記錄動作順序。

提示:在進行實驗時，請確保皮膚乾淨無油脂，電極貼片與導電膠貼合良好，以獲得穩定訊號。

背景知識

我們的大腦不僅控制手腳，還駕馭兩個強大的「攝影機」-我們的眼睛，捕捉周遭的視覺世界。眼球運動分為掃視 (saccades)、追蹤 (smooth pursuit) 以及微小顫動 (micro-saccades)，這些動作均伴隨微弱的電位變化，可被EOG偵測。

眼角膜帶正電，視網膜帶負電，形成自然電偶極 (electric dipole)。當眼球轉動時，偶極的方向改變，產生可測量的電訊號變化，即眼電圖訊號(EOG signal)。透過EOG，我們可以探索：

• 左右、上下眼球運動的電位變化
• 眨眼與眼瞼肌肉活動產生的電訊號
• 神經與肌肉協調控制視覺動作的模式

EOG是一種非侵入性、簡單又安全的電生理測量方法，廣泛應用於眼動追蹤研究(eye-tracking research)、人機介面 (brain-computer interface, BCI) 及臨床診斷眼部或神經疾病。

電極準備與放置

左右移動的電極放置

1. 戴上Backyard Brains的頭帶，確保兩個電極分別位於眼睛左右兩側。
2. 在金屬電極片下塗少量導電膠，確保良好的接觸。
3. 將接地電極(貼片)貼在乳突(耳後骨凸起)位置。

連接方式

1. 將紅色鱷魚夾夾到眼睛兩側的電極(第一次實驗左右方向可隨意)。
2. 將黑色鱷魚夾夾到接地電極。
3. 將電極線(橘色接頭)插入人體電訊號盒。

環境與噪訊管理

1. 將SpikerBox連接到電腦或平板。
2. 為減少干擾，保持筆電或平板離插座與日光燈距離稍遠，最好使用電池供電。
3. 開啟SpikeRecorder軟體，在設定中啟用notch濾波器：美國及大部分美洲選60 Hz，其他地區選50 Hz。

記錄左右眼球運動

1. 在SpikeRecorder點擊「Record」。
2. 在朋友協助或自行觀察下，將眼睛向左、再向右移動。
3. 注意EOG訊號的偏移，隨眼球方向改變而變化。

記錄上下運動與眨眼

1. 調整頭帶位置，使一個電極位於眼睛上方，另一個位於下方。
2. 再次將接地電極固定於耳後。
3. 記錄眼球上下移動及眨眼的訊號。
4. 比較波形：眨眼通常會產生尖銳的波峰，這可能來自眼瞼肌肉活動。

資料保存與分析

1. 開啟SpikeRecorder的錄製檔案，測量不同動作產生的電壓振幅與時間特性。
2. 分析電訊號的極性變化，試著分辨眼球移動與眨眼的不同訊號特徵。

結果與延伸探究

• 介面應用：是否可以利用 EOG 訊號設計介面，例如遊戲控制器？在將類比訊號轉換為數位指令時，可能會遇到哪些挑戰？
• 電極位置：移動電極位置（靠近或遠離眼睛）會如何影響訊號？
• 動作參數：眼球移動的距離或速度，會改變 EOG 振幅嗎？
• 其他影響因素：眨眼時眼瞼緊繃程度、戴眼鏡是否會影響訊號？為什麼會有這樣的影響？