Les grandes bandes de fréquences.
Delta (0,5- 4 Hz).
Les ondes delta correspondent à la fréquence la plus lente. Cette fréquence domine pendant le sommeil profond sans rêves (stades 3 et 4 du sommeil NREM), mais aussi chez le nourrisson en état d'éveil. Les ondes delta sont associées à la récupération physique, à la sécrétion d'hormone de croissance et aux processus de réparation cellulaire. Certains états méditatifs très profonds peuvent également les générer. Chez l'adulte éveillé, leur présence marquée peut indiquer une lésion cérébrale ou une pathologie.

Thêta (4-8 Hz).
Les ondes thêta apparaissent lors de la somnolence, de la transition veille-sommeil et du sommeil paradoxal léger. Elles sont aussi fortement liées à la mémoire épisodique et à la navigation spatiale,  les neurones hippocampiques oscillent en thêta lors de l'encodage de souvenirs ou de l'exploration d'un environnement. Des états de créativité diffuse, de rêverie éveillée ou de méditation légère les font également émerger. Le rythme thêta joue un rôle central dans la plasticité synaptique et la potentialisation à long terme (LTP).

Alpha (8-13 Hz).
Découvertes par Hans Berger dès 1929, les ondes alpha sont le rythme de la relaxation éveillée. Elles apparaissent typiquement lorsque les yeux sont fermés et que l'esprit est calme mais non endormi. Elles disparaissent dès qu'on ouvre les yeux ou qu'on se concentre sur une tâche (c'est le phénomène de blocking ou désynchronisation alpha). Elles sont maximalles sur les régions occipitales et pariéto-occipitales. Elles reflètent un état d'inhibition active : des zones corticales non sollicitées sont mises en veille, ce qui facilite le traitement dans les zones actives. Le rythme alpha est aussi impliqué dans la coordination entre aires cérébrales distantes.

Bêta (13-30 Hz).
Les ondes bêta caractérisent l'éveil actif, la cognition et la concentration. Elles dominent lors d'une tâche intellectuelle, d'une conversation, d'une prise de décision ou d'un mouvement volontaire. On les divise souvent en bêta bas (13-20 Hz), associé à la pensée analytique, et bêta haut (20-30 Hz), présent lors d'états d'anxiété, de rumination ou d'un effort cognitif intense. Les ganglions de la base et le cortex moteur synchronisent fortement en bêta pendant le maintien d'une posture ou d'une intention motrice, et cette synchronisation se rompt juste avant l'exécution d'un mouvement.

Gamma (> 30 Hz, typiquement 30-100 Hz).
Les ondes gamma définissent la bande la plus rapide détectable en EEG standard.  Elles sont associées au traitement perceptif de haut niveau, à la liaison des informations (binding) et à la conscience. Elles permettraient l'intégration d'informations traitées en parallèle dans différentes régions du cerveau, par exemple, relier la couleur, la forme et le mouvement d'un objet en une perception unifiée. Des études sur des moines bouddhistes pratiquant la méditation de compassion ont montré des niveaux exceptionnellement élevés de synchronie gamma. Ces rythmes sont aussi perturbés dans la schizophrénie et la maladie d'Alzheimer.

Rythmes plus spécifiques.
Le rythme mu (8-13 Hz).
Proche de l'alpha en fréquence, le rythme mu se distingue par sa localisation sur le cortex sensori-moteur. Il est supprimé lors d'un mouvement volontaire, mais aussi lors de l'observation d'un mouvement effectué par autrui, ce qui l'a relié au système des neurones miroirs et à l'empathie motrice.

Les fuseaux de sommeil (sleep spindles, 12-15 Hz).
Les fuseaux de sommeil sont de brèves bouffées d'activité sigma, produites par le thalamus via ses cellules réticulaires, qui apparaissent pendant le sommeil léger (stade N2). Ils joueraient un rôle crucial dans la consolidation des souvenirs déclaratifs en favorisant le dialogue entre l'hippocampe et le néocortex pendant le sommeil.

Les complexes K.
Les complexes K correspondent à de grandes ondes biphasiques également propres au stade N2, générées spontanément ou en réponse à un stimulus externe. Elles participeraient à la protection du sommeil en inhibant les éveils et en s'articulant avec les fuseaux pour la consolidation mnésique.

Les oscillations lentes et infra-lentes epsilon (< 0,5 Hz).
Les très basses fréquences ne sont pas mesurables en EEG de surface classique mais détectables par des électrodes spéciales ou l'IRMf. Elles moduleraient l'excitabilité globale du cortex sur de longues échelles de temps, influençant la probabilité d'apparition des autres rythmes.

Interactions entre rythmes.
Les rythmes cérébraux n'agissent pas de façon isolée. Un phénomène fondamental est le couplage de phase entre fréquences (cross-frequency coupling) : par exemple, la phase du rythme thêta module l'amplitude des oscillations gamma dans l'hippocampe. On parle de couplage thêta-gamma. Ce mécanisme serait au coeur de l'organisation temporelle de l'information en mémoire de travail, permettant de maintenir simultanément plusieurs éléments distincts dans une séquence ordonnée.

De même, les ondes delta du sommeil profond nichent en leur sein des fuseaux de sommeil et des bouffées gamma, formant une hiérarchie temporelle qui orchestre la consolidation mémorielle nocturne.

Dysrythmies et pathologies.
Les altérations des rythmes cérébraux sont au cœur de nombreuses pathologies :

• Épilepsie : hypersynchronie paroxystique, souvent en pointes-ondes à 3 Hz dans les absences typiques.

• Schizophrénie : déficit de synchronie gamma et altération du couplage thêta-gamma, corrélés aux troubles cognitifs.

• Maladie d'Alzheimer : ralentissement diffus vers les bandes delta/thêta, perte de la puissance alpha et gamma.

• TDAH : excès de thêta frontal et déficit de bêta, reflétant un sous-éveil cortical.

• Dépression : asymétrie alpha frontale (hypoactivité gauche), parfois excès de bêta associé à la rumination.