人類的大腦裡，有許多神經細胞日復一日不斷活動；細胞活動會發出電磁波，如果用科學儀器偵測腦的電位活動，在螢幕上看起來就像海浪波動一樣，所以我們叫它「腦波」。簡單地說，腦波和大腦的意識有某種程度上的對應關係，就像是腦細胞活動的節奏。
大腦皮質的各功能區。其中，額葉主要與推理、計畫、某些語言、運動、情緒等有關；頂葉與觸覺、壓力、溫度及疼痛相關；顳葉和知覺、聽覺刺激辨識及記憶相關；枕葉與視覺有關。（電腦繪圖：姚裕評）
腦波的發現
腦波研究開端於19世紀末，當時德國生理學家柏格（Hans Berger）觀察到電鰻身上發出電波，讓他猜測人類身上也會有相同的現象；英國生理學家柯頓（Richard Cotton）從兔子的大腦皮質表面也記錄到一種電波，和呼吸、心跳都無關，但會隨著動物被麻醉而產生變化，動物死亡後就消失。
1929年，柏格首次在人類的頭蓋骨上記錄到相同的電波活動，他記錄、測量了人腦中微小的放電過程，這是人類史上第一次發表腦波記錄，命名為「腦電波圖」（electroencephalogram，簡稱EEG、腦電圖）。由於腦波和人類的意識活動有關係，許多研究者都很感興趣，在醫學領域的應用也隨之而生。例如研究憂鬱症、阿茲海默症患者睡眠時的腦波，可針對患者進行長期記錄，以了解其和未患病者的腦波有何不同，進而研究病理和病因。
腦波就是大腦中「電氣性的變動」，上方的貼片就是偵測腦波的點。（電腦繪圖：姚裕評）
腦波的種類
腦電波圖是記錄頭殼上，某兩點電位差隨時間的變化圖，通常以微伏（百萬分之一伏特）為單位。電位差的產生與細胞膜電位有關，所有細胞膜的兩側均有電位差，這是因為細胞內多出來的負離子會和細胞外的正離子相吸，於細胞膜的內外兩層形成電位，例如神經細胞的膜電位一般在-40~ -90mV之間（細胞內的電位相對於細胞外的電位）。腦波圖記錄到的電位差，是大腦皮質靠近表層處成千上萬個神經細胞集體所造成。
細胞膜的兩面有一電位差，細胞內多出來的負離子會與細胞外的正離子相吸，於細胞膜的內外兩層形成電位。（電腦繪圖：姚裕評）
人在張眼、閉眼、清醒或昏迷狀態下，腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化，約在1~40Hz之間，國際腦波學會（International Organization of Societies for Electrophysiological Technology）依照不同的頻率，將腦波分為α、β、δ、θ波。當人專注於思考、推理，或是壓力大、心情緊張、不自在、憂慮等，容易測到β波（12～38Hz），β波頻率最高，是「意識」層面的腦波。在專注力下降、放鬆、神遊四方、放空、心不在焉、閉上眼睛後，會測到α波（8～12Hz），α波可以說是「意識與潛意識」之間的橋樑。一旦進入睡眠時，腦電波會變成低頻波θ波（4～8Hz）與δ波（0.5～4Hz），θ波是「潛意識」的波，例如記憶、知覺、情緒、態度、信念、夢境或冥想等；δ波是「無意識」的層面，在恢復體力的睡眠時需要。α、β、δ、θ波的組合型態可反應人體行為及學習上的表現。
α、β、δ、θ波 整理圖表（電腦繪圖：姚裕評）
測量腦部活動
20世紀初，測量腦波採取「侵入式」方法，將訊號接收器直接植入大腦的灰質，獲取強度較高的神經電流信號。然而這樣會傷害身體組織，甚至引發免疫反應，測量時也可能因為接收器在人體內被干擾，導致信號強度衰退，甚至消失。
現行量測腦部活動的方式可以分為四種，一是前面提過的，測量電位差的腦電圖（EEG），另一種是「腦磁圖」（magneto encephalon graphic, MEG），當腦神經活化時所產生的電訊號會引發磁場變化，所偵測到訊號的大小就是腦磁圖。
此外，還有「功能性磁振造影」（functional magnetic resonance imaging, fMRI），它是一種神經影像技術。因為腦神經活動需要耗能，此時血氧含量會提高，透過量測腦中的血氧含量，可以推斷當時的腦部活動，進而觀察受試者從事不同活動時，各腦區的生理活性變化。第四種是正子斷層造影（positron emission tomography, PET），這是近幾年來發展快、靈敏度高的影像診斷技術，PET以帶有特殊標記的放射性葡萄糖合成藥劑注入受檢者體內，透過儀器測量腦內不同部位葡萄糖的消耗速率，再推斷當時的腦部活動反應。
中央研究院語言所特聘研究員曾志朗指出，上述方法中，EEG是比較常用的檢測方式，它是唯一不需要固定頭部或身體的檢測方式，感應器小、檢測不痛、數據準確，其他三種方式所需的儀器都很巨大、價格也貴。交通大學腦科學中心博士生陳世安說，在EEG技術中，腦神經細胞活動傳出的腦波，穿出腦殼後大小約只剩10微伏特（一微伏特為百萬分之一伏特），因此須用很精密的儀器才能測量，其中人體疲勞時放出的α波、專注時放出的β、θ波常被拿來當做量測的指標。
四種非侵入式腦波測量方式中，EEG是唯一不需要固定頭或身體的檢測方式，使用的感應器也比較小。（影像來源：陽明大學腦科學研究所教授 陳麗芬）