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人脑中大约有数以亿计的神经元分布在大脑皮层上，这些密集的神经元决定了脑电信号活动的主要解剖基础就是大脑皮层。大脑皮层总共分为6层，由外到内的主要皮层有小锥体细胞层、锥体细胞层和大锥体细胞层，分别分布在大脑皮层的第二层、第三层和第五层。其中大锥体细胞分布最密集的层是大锥体细胞层，这些大锥体细胞的树突与其他细胞相比较长，并延伸至大脑皮层表面，形成了脑电信号的主要神经元。脑电信号即使在大脑皮层表面被破坏后仍然能够存在，主要是因为深层的大锥体细胞决定了脑电信号的主要活动。
树突的作用是接收神经冲动，这些短小的树突分布在神经元的各个方向上。神经元在树突接收神经冲动后，会将这些神经冲动传递给另一方。在神经元连接的地方有一种叫作“突触”的接触点，通过释放乙酰胆碱（Ach）或γ-氨基丁酸（GABA）等神经递质来改变突触膜的通透性。突触膜通透性的改变方式主要有两种：兴奋和抑制，也称为超极化和去极化，这两种改变方式分别激发了抑制性和兴奋性的突触后电位。随着外部刺激的提高，神经元细胞经过刺激产生的相应电位也将提高。多个持续的刺激相加能够引起神经元树突的去极化，换句话说，如果最初的刺激强度不大，那么多个刺激相加就会产生峰电位。突触后电位的持续时间较长，这个时间一般大于20ms，而抑制性突触后电位的持续时间则是70～150ms。人们普遍认为大脑皮层表面电位的变化主要是由突触后电位变化引起的，因此研究热点开始从神经元的放电现象转向突触后电位。然而，大脑皮层神经电位的重新分布不仅仅依赖少量神经元细胞的突触电位，相反，它需要大量的神经元同时发生突触后电位的变化，这样才能引起大脑皮层表面电位的同步变化。其中，能够保证大量神经元同时发生突触后电位变化的主要细胞是锥体细胞。锥体细胞的细胞顶树突垂直于大脑皮层表面，且彼此相互平行，在大脑皮层神经元的组成上，这种排列方式是比较整齐的。因此，当电位活动时，这些锥体细胞就能够产生强大的电场。
脑电信号是综合大量大脑皮层锥体细胞产生的突触后电位而形成的。头皮电压的强度与这些锥体细胞的同步性呈正相关关系。脑电信号可分为正波与负波两种，正波出现的原因为大脑皮层的浅层结构出现抑制性突触后电位，而大脑皮层的深层结构出现兴奋性突触后电位，负波出现的原因则相反。目前的研究认为脑电信号产生的节律性是由丘脑来驱动的。大脑皮层诱发电位信号由突触后活动产生，而大脑皮层下结构的 α 节律一般是起搏的主要节律，也就是由丘脑活动产生的节律。通过连续的兴奋性诱发和抑制性诱发，丘脑的起搏点能够维持节律性的活动，但是传入丘脑的纤维会改变起搏点的活动。此外，网状结构能够对丘脑形成有节律的反馈效果。
确定麻醉深度的手段之一是进行脑电图监测，大脑皮层锥体细胞顶树突产生的树突电位和突触后电位共同形成了脑电信号。脑电信号能够清晰地反映中枢神经系统活动。在机体处于全身麻醉状态时，机体脑电信号的频率与麻醉深度具有明显的相关性。也就是说，在麻醉深度偏浅时，机体脑电信号的频率变快，波幅减小；而在麻醉深度加深时，机体脑电信号的频率减慢，波幅增大。当进入相对较深的麻醉阶段后，可能会产生爆发性抑制，而如果麻醉深度过深，这时可能会产生等电位脑波。从1937年Gibbs等首次提出利用脑电图来监测麻醉深度开始，麻醉深度的脑电信号分析方法经历了以下几个阶段：首先是肉眼观察波形特征、时域特征分析阶段；其次是频域特征分布阶段；最后是最新的人工神经网络法、分维数法等发展阶段。不难看出，作为无创、可连续反映大脑皮层生理功能的重要工具，脑电图监测不断地被应用于麻醉领域中。
目前大多数研究者认为，全身麻醉的基本原理不仅是对神经系统的抑制，也可能导致神经系统的多方面功能重组。麻醉药物对神经系统的影响具有显著的多样性，许多麻醉药物能够激活而不是抑制自发的神经活动，有些麻醉药物具有抑制效果，有些则并无明显效果。脑电信号是中枢神经系统各种生理电位的集中反映，能够受到麻醉药物的高强度激活。脑电信号的各主要参量均随着麻醉药物浓度的变化而发生显著改变，而这种改变具有非常明显的药物差异性。
依据脑电信号频率的不同，人们对脑电信号的波形进行了人工分类。具体而言， δ 波是每秒出现0.5～3次的波， θ 波是每秒出现4～7次的波， α 波是每秒出现8～13次的波， β 波是每秒出现14～30次的波。根据普遍性的能量最低原理，在一般状态下，高频率的波振幅较小；低频率的波振幅较大。然而，当条件不同时，脑电信号频率的大小可能会有显著差别。以在成年人头皮上引导的情况为例， δ 波的振幅范围为20～200μV、 α 波的振幅范围为20～100μV， β 波的振幅范围最小，为5～20μV（见图2-1）。
图2-1 正常的脑电信号波形成分
在大脑皮层的不同区域，各种波都可能出现。 β 波在顶叶与额叶区域活动比较明显，而 α 波则在枕叶区域活动比较明显。在一些情况下， α 波与 β 波会同时产生于相同位置， β 波位于 α 波上。 α 波一般出现在人平静安宁、闭目的状态下，在枕叶区域活动较强，同时会发生时强时弱的波动；这种有规律的反复变化能够形成 α 波梭形，每一个梭形大约需要持续1～2s。 α 波阻断是这样一种现象：人们在突然睁眼或刺激突然发生时， α 波会突然被快波所取代；人们再次平静闭目后， α 波会再次出现。 θ 波通常出现在人感到困倦的时候，正常的成年人在完全清醒时基本不会出现 θ 波。 δ 波一般出现在人睡眠时，而在突然惊醒时会被快波所取代。由此可见，脑电信号在大脑高度兴奋时更多地呈现为快波，而在睡眠状态下主要呈现为慢波，当大脑皮层处于安静状态时，主要呈现为 α 波。研究发现，在成年人极度疲劳时及处于麻醉状态下时，其大脑皮层可能会出现 δ 波。相比之下，婴幼儿的脑活动通常较为平稳，其中慢波成分较多，通常情况下也存在 θ 波或 δ 波成分，而在其成长过程中会逐步被 α 波取代。
棘波的时程在80ms以下，振幅为50～150μV；尖波的时程在80～200ms，振幅为100～200μV；棘慢综合波为棘波接续时程200～500ms的慢波，大约每秒出现3次。对于患有癫痫的患者，他们的脑电信号可能会出现这些成分。如果患者脑内出现肿瘤、结石等占位性病变，那么脑电信号会在正常情况下显示 θ 波或 δ 波成分。因此，通过观察脑电信号成分，可以帮助研究者判断很多脑部疾病。
脑电信号中存在具有恒定周期和形状的、有规律地反复出现的连续波，这种情况被称作节律。除阵发性或局限性的显著变动部分外，其余活动均形成了背景活动。在正常人的背景活动中，存在着 α 节律和 β 节律等主要节律活动。这些节律活动的频率随着人们年龄的增长而普遍发生变化，成年前频率逐渐增加，而随着人们趋近老年，频率逐渐下降。短时间内的变化主要表现为清醒时频率较快，而睡眠时频率较慢，睡眠越深则频率越慢。
波群由至少两个波构成。波形一致且能清楚区分背景活动的波被称为复合波。波率、波幅、波形突然改变或消失的现象被称为阵发性；波形普遍性出现而不是偏向某一侧的现象则被称为弥漫性。脑电信号的形式非常广泛，在时间与空间上都有许多不同的种类，它们之间差异较大。
1.时域分析
（1）常规脑电图。
伤害性刺激可以引起脑电信号3种类型的改变：快节律、中等节律、慢波爆发，对应的频率分别为20～60Hz、6～10Hz、1～3Hz。研究表明，随着麻醉深度的加深，常规脑电信号的形态结构会发生周期性的变化，这与观察到的患者生理状态改变相对应。尽管研究人员一直在尝试从常规脑电信号中尽可能简单地判断麻醉深度，但由于判断原则多为半定性的，且处理过程通常较为耗时，所以目前尚无适合实际使用的标准方法。
（2）脑电类型识别。
脑电类型识别法通过测量麻醉状态及清醒状态下不同阶段脑电信号的形态，总结脑电信号特征，并将其划分为不同的类型，通过类型识别技术，与手术中获得的脑电信号进行比对，从而进行麻醉深度的判断。由于该方法的类型识别技术难度较高，所以需要高度复杂的信号系统，操作难度较大，且只对部分特定药物的麻醉深度判断较为准确，如氟烷和氧化亚氮。
（3）过零频率法。
过零频率法是一种通过计算每秒脑电信号电位为0的次数来估计脑电信号平均频率的方法，该方法最初由Klein提出，并由Dumitrescu改进为周期分析法。在周期分析法中，脑电信号被绘制成一组线状图样，其中线的高度表示波幅，线的位置包含频率和时间信息。尽管如此，目前这种方法还没有被产品化，即尚未形成实际可用的产品或应用。脑电信号的周期分析法如图2-2所示。
图2-2 脑电信号的周期分析法
（4）突发抑制率。
脑电信号周期性地由正常高电位转变为低电位，甚至是零电位，这种特殊活动模式在深度麻醉时被称为突发抑制模式。在脑外伤和脑缺血等情况下，这种突发抑制模式代表患者的预后较差。当大脑进入突发抑制模式时，为应对脑代谢水平的下降，量化值得以表现出来。通过分析脑电信号电位来确定抑制周期时，由于脑电信号不稳定，所以突发抑制率应该做平滑处理，段数最少为15。
2.频域分析
（1）功率谱。
研究表明，脑电信号功率谱不足以满足研究者对麻醉深度定量监测的要求。为了说明这个问题，Dutton等使用了芬太尼—氧化亚氮—异氟烷这种麻醉药物的组合，对300例不同手术患者麻醉过程中的脑电信号功率谱进行了分析，并对比了血压、心率等生理指标在机体反应中的效应。
（2）中心频率与边缘频率。
在功率谱中存在两个频率段，分别是中心频率（Medium Frequency，MF）和边缘频率（Spectral Edge Frequency，SEF），它们的功率分别占总功率的50%和95%。随着麻醉深度加深，这两个频率段相应地减少，这与麻醉深度密切相关。1987年，Rampil发现边缘频率与对人体进行插管操作导致的血液流动状态有关，能够反映操作之前的麻醉深度。1991年，Drummond等提出了中心频率、边缘频率、全功率、频带功率比和显性转移5种脑电图参数，发现这些脑电图参数只有在机体接近清醒时具有较高的灵敏度和特异度，没有一个脑电图参数具有全程可靠性。1996年，Schwender在异丙酚麻醉的临床研究中发现，边缘频率会随着麻醉深度的加深而降低，并在手术操作介入时升高，但个体差异明显，实验结果的灵敏度和特异度均较低。
近几年的研究发现，中心频率和边缘频率还无法单独作为麻醉深度监测指标。某些特定的麻醉药物和手术类型可能导致深度麻醉时中心频率和边缘频率变化不明显。
3.脑电双频指数
（1）脑电双频指数的基本原理。
脑电双频指数（Bispectral Index，BIS）的基本原理是通过对常规脑电信号进行非线性相位锁定处理，并结合函数谱与功率谱分析，以获取脑电信号的线性特征和脑电组分之间的非线性耦合关系。BIS通过分析脑电信号频率中高阶谐波之间的关系来测定脑电信号频率间的相位耦合。如果脑电信号频率间存在明显的相位耦合或相位锁定，那么通常说明测试对象是清醒的。
BIS分析能够排除其他无关脑电信号的干扰，使脑电信号中包括更多的原始脑电信号，因此能够更清晰地表达傅里叶分布的信息。BIS的数值范围为0～100，该数值越大则代表测试对象越清醒，反之则越昏迷，这些数值是通过回归方程计算得出的。
（2）脑电双频指数的临床应用。
在目前麻醉深度商业化后，BIS监测仪器的灵敏度和特异度都较为出色，是被美国食品药品监督管理局（FDA）认可的监测麻醉药物对大脑作用的仪器。BIS是经过大量分析后得到的参数，是由Aspect公司基于约1500例受试者经大范围麻醉近5000小时得到的脑电信号及相关临床资料分析出的结果。这些结果经过先进的多变量统计学分析技术处理，综合了时间与频谱的各种信息。随着电子设备的不断完善，BIS系统已经能够克服各种医疗系统内的电干扰。随着研究的深入，已经有许多研究表明，常规使用BIS监测仪器能够提高麻醉质量，减少费用，并且能够减少麻醉药物的使用量、缩短拔管时间等。
BIS在几种临床目标与麻醉药物研究中，表现出良好的灵敏度和特异度，特别是在评估麻醉药物的催眠状态，尤其是丙泊酚引起的催眠状态时，其效果显著。BIS数值与意识消失程度之间存在一定的相关性，尤其在评估患者对指令和对触觉的反应时相关性良好。然而，BIS在监测麻醉止痛成分（阿片类止痛药）方面敏感性较差。研究表明，BIS受所使用的麻醉药物的影响，当使用大剂量的阿片类止痛药时，其相关性不明显。尽管如此，BIS仍然可以较准确地监测切皮刺激在异氟烷—氧化亚氮—丙泊酚和阿芬太尼—丙泊酚药物下造成的机体体动反应。
中小剂量的阿片类止痛药和一种催眠药协同作用时，BIS效用最大，因为BIS数值的大小能够最大限度地反映催眠药对中枢神经系统的药效。当大剂量阿片类止痛药与催眠药合用的时候，二者会表现出明显的协同作用，于是，这时候只需要极少量的催眠药，就能够达到足够的麻醉效果。有时BIS的灵敏度很低，是因为催眠药量的减少导致中枢神经系统对催眠药的脑电信号反应变得很小。这也表明了BIS数值的大小与催眠药的浓度并不随着阿片类止痛药的加入而发生相应变化，也就是说，阿片类止痛药和催眠药的系统作用在临床上的表现与在脑电信号上的表现并不对等。因此，若机体无体动反应而BIS数值较高，则需要追加催眠类药物；相反，若机体有体动反应而BIS数值较低，则需要追加止痛类药物。这也就是我们通常提到的在临床应用BIS监测仪器时要区别对待麻醉药物的催眠成分与止痛成分。
许多研究者进行了大量的研究与评估，以确定患者对麻醉中的刺激与指令的反应，以及这些刺激和反应形成的BIS阈值。BIS与药物浓度及临床测得的患者镇静程度的相关性，已经在Glass等对丙泊酚、咪达唑仑和异氟烷镇静的研究结果中得到验证，Katoh等在对七氟烷的研究中也得出了类似的结论。1998年，Kearse等通过大量实验认为，当BIS数值低于57时，所有受试者均丧失了对指令做出反应的能力，但部分受试者已经明显出现麻醉药物过量的迹象。Sebel在临床上发现，BIS数值与切口操作密切相关，但是其药物差异性非常明显。Suzuki和Sakai各自独立观察到，部分麻醉药物无法导致BIS数值发生变化。Sleigh等则通过条件控制比较严格的实验证实BIS数值虽然随着麻醉深度的改变而改变，但其特异度与灵敏度并不比其他麻醉深度监测指标具有明显的优势，因此难以有效区分受试者的麻醉状态。
BIS也具有一定的应用局限性，其阈值会受到多种麻醉药物联合应用的影响，而且BIS对麻醉药物的止痛成分灵敏度较差。不同组合的麻醉药物联合应用，虽然可以获得相同的BIS数值，但是它们可能代表着不同的麻醉深度。有研究者指出，不同的BIS数值并不一定代表不同患者在使用BIS测定麻醉深度时具有不同的麻醉适当性。但总体来说，BIS可以用于个别患者的麻醉深度监测，以及对麻醉状态的总体趋势判断，但并不适合单独使用，而且统一预设的经验性阈值对于个体差异性的判断同样也是不可靠的。到目前为止，电极位置、药物质量、并发疾病、不同麻醉药物组合都可能改变BIS数值。所以，目前需要进行大量的实验来确定是否可以将BIS作为麻醉中不良反应的监测指标。