认知科学期末复习

目录

认知科学

(一)认知心理学

(二)感觉与知觉

(三)注意与意识

(四)思维与表征

(五)学习与记忆

(六)情绪与调控

(七)语言

(八)脑机接口

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认知科学

(一)认知心理学

认知心理学基本常识

1.什么是认知？

可一般地认为是和情感、动机、意志相对应的理智或认知过程，或者是为了一定的目的，在一定的心理结构中进行的信息加工过程。

2.什么是认知心理学？

认知心理学是一门研究认知及行为背后之心智处理（包括思维、 决定、推理和一些动机和情感的程度）的心理科学。这门科学包括了广泛的研究领域，旨在研究记忆、注意、感知、知识表征、推理、创造力，及问题解决的运作。

3.心理学的定义

(1) 哲学心理学时期：心理学是阐释心灵的学问；

(2) 科学心理学时期：20世纪70年代后，心理学是对行为与心理历程的科学研究；

科学心理学的两大源头

哲学：

亚里士多德：在著作中探讨人类本性、人类 知识由来、五官之运用、记忆

笛卡尔：提倡先天观念

康德：理性主义

洛克：经验主义

生物学和生理学：

达尔文：进化论

缪勒：脑功能分区，神经冲动论

赫姆霍兹：色觉与听觉理论

费希纳：心理物理学

4.科学心理学的诞生

1879年，冯特创立了世界上第一个心理学实验室，标志着科学心理学的诞生。冯特也因此被称为心理学之父。

冯特的贡献：

集生理心理学大成 ， 出版《Principles of physiological psychology》；

采用内省的方法研究意识；

采用系统而科学的实验方法，使心理学研究 符合科学特征所强调的客观性、验证性、系统性三大标准。

常见心理学学派

1. 结构主义：冯特，铁钦纳；

   主张以内省的方式得到经验，经验得到意识，意识包括三种元素，感觉，想象，情绪。

2. 功能主义：詹姆斯，杜威；

   主张心理学的目的应该是研究个体适应环境时的心理或意识的功能。

3. 行为主义：华生；

   主张以客观的方法研究人类的行为，从而预测和控制有机体的行为。

4. 完形心理学：韦特海默；

   主张研究直接经验（即意识）和行为，强调经验和行为的整体性，认为整体不等于并且大于部分之和，主张以整体的动力结构观来研究心理现象。

5. 精神分析论：佛洛依德；

6. 人本心理学：马洛斯，罗杰斯；

   主张以人的需要出发去研究人性；

7. 神经心理学：旨在了解 大脑的整体及其不同部分在个体表现某种行为或从事某种心理活动时，究竟发生什么样的变化。

8. 认知心理学：受多种因素逐渐演变而成，对 “知之历程”的研究。

人工智能的三大学派：

符号主义

主要观点：知识的基础是符号，思维过程是符号模式的处理过程 知识表示是人工智能的核心，认知就是处理符号，推理就是采用启 发式知识及启发式搜索对问题求解的过程，而推理过程又可以用某种形式化的语言来描述；

代表人物：纽厄尔、西蒙、费根鲍姆。

连接主义

主要观点:人工智能可以通过模拟人脑结构来实现，人工智能源于仿生学，否定基于符号操作的计算机工作模式。

代表人物：罗森布莱特、威德罗、霍夫、鲁梅尔哈特、麦克莱兰、霍普菲尔德。

行为主义

主要观点：智能取决于感知和行为。

代表人物：罗德尼·布鲁克斯。

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(二)感觉与知觉

需要掌握：

1.什么是感觉和知觉，二者有什么联系？ 2.各种感觉的神经机理及特征？ 3.知觉的心理特征。 4.知觉历程。 5.影响知觉的因素。

感觉的定义

觉察到刺激的存在，并立即分辨出刺激的属性，在心理学上，称此一层次为感觉。

五种感觉：听觉，视觉，味觉，嗅觉，触觉。

听觉神经通路

声源→耳廓（收集声波）→外耳道(传导声波）→鼓膜（将声波转换成振动）→耳蜗（将振动转换成神经冲动）→听神经（传递冲动）→ 大脑听觉中枢（形成听觉）。

听觉皮层位于 上颞叶。

嗅觉神经通路

嗅觉通路是唯一不向丘脑输送信息的感官通路。

初级嗅觉皮层主要探测气味的变化。次级嗅觉皮层主要识别气味的特征。次级嗅觉皮层位于眶额页。

味觉神经通路

初级味觉皮层位于丘脑的腹后侧内侧核，次级味觉皮层位于眶额叶。

触觉神经通路

初级触觉皮层位于侧丘脑。

视觉神经通路

眼睛和视网膜的解剖结构。光线从角膜进入，激活位于视网膜后表面的感光细胞。感光细胞有两种：视杆细胞和视锥细胞。感光细胞的输出在视网膜的中间层进行加工，然后通过视神经作为中继传入中枢神经系统。

视觉皮层位于枕叶的距状裂周围

分为背侧流(空间通路)和腹侧流(内容通路)。

知觉的定义

人类通过感官得到的信息被大脑加工后产生了对事物的认知，知觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的各个部分和属性的整体的反映。

感觉与知觉的区别与联系

区别：

1. 感觉是以生理作用为基础的简单心理历程，而知觉是复杂的心理历程。可以理解为：感觉是生理与心理之间的过程，知觉是纯粹的心理过程；

2. 感觉是对事物的个别属性的反应，而知觉是对整体的反应。

3. 感觉是普遍现象，知觉则有很大的个体差异。

联系：

1. 感觉和知觉之间是连续的，知觉以感觉为基础；

2. 感觉和知觉都是对当前事物的反应。

3. 没有对事物个体属性的反应，就没有对事物整体属性的知觉。

知觉的性质

1. 整体性：所谓整体性，是指超越部分刺激相加之总和所产生的一种整体知觉经验。

2. 相对性：物体周围其他刺激的性质与两者之间的关系，势必影响我们对该物体所获得的知觉经验。

3. 选择性：人们总是有选择地把少数事物当作知觉对象，而把其他事物当成背景，以便清晰地感知一定的事物与对象。这种有选择地将知觉对象从背景中区分出来的特性，叫做知觉的选择性。

4. 恒常性：外在刺激因环境影响使其特征改变，而在知觉经验上却维持不变的心理倾向，称之为知觉恒常性。

5. 组织性：构成知觉经验的感觉性资料均系根据客观的事实，但在转化为心理性的知觉经验时，是对感觉得来的资料经过一番有组织的主观的选择处理。

影响知觉的因素

1. 学习与经验的影响，复杂的知觉要靠学习与经验；

2. 知觉的观点差异，“客观的主观”是心理学的特征之一；

3. 知觉中的动机因素，面对同一刺激，具有不同动机的观点者所得知经验是很不相同的。

错觉

在知觉心理学上，对完全不符合刺激本身特征的失真的或扭曲事实的知觉经验，称为错觉。

视错觉的产生并非视感觉器官的生理作用，而完全是起因于知觉的主观判断。

思考题

1.什么是感觉和知觉，二者有什么联系？

感觉：觉察到刺激的存在，并立即分辨出刺激的属性，在心理学上，称此一层次为感觉。

知觉：人类通过感官得到的信息被大脑加工后产生了对事物的认知，知觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的各个部分和属性的整体的反映。

区别与联系：

区别：

1. 感觉是以生理作用为基础的简单心理历程，而知觉是复杂的心理历程。可以理解为：感觉是生理与心理之间的过程，知觉是纯粹的心理过程；

2. 感觉是对事物的个别属性的反应，而知觉是对整体的反应。

3. 感觉是普遍现象，知觉则有很大的个体差异。

联系：

1. 感觉和知觉之间是连续的，知觉以感觉为基础；

2. 感觉和知觉都是对当前事物的反应。

3. 没有对事物个体属性的反应，就没有对事物整体属性的知觉。

2.各种感觉的神经机理及特征？ 3.知觉的心理特征。 4.知觉历程。

• 听空间知觉

  以听代视，单耳线索，双耳线索

• 时间知觉

  时间知觉的形成，既不凭外界刺激做根据，又缺乏感觉器官为基础，对同一段时间而言，有的人会觉得“光阴似箭”，也有人会觉得“度日如年”

• 移动知觉

  对环境中所见物体是否移动，以及对该物体移动快慢、方向等所作的解释与判断，称为移动知觉。

• 错觉现象

5.影响知觉的因素。

(三)注意与意识

注意的定义

它是心理接受信息的过程。以一种清晰和生动的形式从同时呈现的几个物体或思维序列中选择一个对象的过程。

注意的分类

有意注意:作为一种自上而下的、目标驱动的影响，对应我们有意地注意一些东西的能力。 ​ 反射性注意:是一种自下而上的、刺激驱动的影响，描述一个感觉事件捕获了我们的注意。

选择性注意

是指在注意的同时有意识 地对非注意对象进行抑制，使之不致进入意识的心理功能，没有抑制非注意对象的注意不是选择性注意。

注意的基本理论

1. 早选择理论：Broadbent选择性注意模型（1958）。一个门控机制决定哪些限定容量的信息会被传递到更进一步的分析中。

2. 衰减理论：Treisman(1969) 对Broadbent(1958)的理论作了修正，提出了衰减模型。该模型不像前者那样进行完全过滤或完全不过滤，而是进入一个衰减器，注意信息与非注意信息都进入觉察器，不过由于 后者受到了衰减，一般不被觉知，这就是注意的选择作用。

3. 晚期选择理论：这一理论认为注意是在知觉之后才发生的，称为注意的晚期选择理论。Deutsch J.和 Deutsch D.(1963)等认为：所有输入的信息都以并行的方式进入觉察器被进行知觉加工和觉知。注意的功能仅在于选择对什么信息进行反应。

4. 多段选择理论：Jonston和Heinz（1978）提出了多阶段选择模型，认为注意的选择可以根据任务的不同发生在信息加工的不同阶段。

5. 资源分配理论：Kahneman(1973) 提出的资源分配模型是此类观点的代表。他认为资源总量主要决定于觉醒水平，是有限的，从此总资源中分得的资源多寡则决定着各信息被注意的程度。这样，资源的分配方案便成了注意的选择性的关键。

视觉特征受控抑制模型

该理论认为应该把知觉对象分解成为特征的客体，并且分为空间特征和非空间特征，之后在主观因素的作用下被抑制或被激活，处于最高 激活水平的部位的诸特征被选择而得到注意。

视觉注意的脑机制

视觉注意：指大脑对一定视觉信息的指向和集中。

知觉组织和选择性注意

特征整合理论

Treisman(1964,1988)的特征整合理论，将客体知觉过程分为前注意阶段和特征整合阶段。前者对客体的局部特征进行加工，后者对局部特征进行整合。

整体优先

拓扑知觉理论的核心思想,以拓朴性质为基础的各个层次的几何不变性质是视觉信息的基本表达。

注意力神经网络模型

意识的定义

是一个包括多种概 念的集合名词，其含义系指个人运用感觉、知觉、 思考、记忆等心理活动，对自己的身心状态（内 在的）与环境中人、事、物变化（外在的）综合 觉察与认识。

(四)思维与表征

思维的定义

借助语言、表象或动作实现的对客观事物概括的和间接的认识，是认识的高级形式。

什么是信息？

信息不是物质，也不是能量； ​ 信息有内容（总是关于什么）； ​ 信息有意义（能够被其使用者所理解）； ​ 信息的编码（系统性地表达足够复杂的内容）； ​ 信息的物理实现（对信息的存储、加工和传递需要物质载体和能量）。

认知是对信息的处理和加工过程

感知：从环境中摄取信息；

记忆：对信息的存储和加工；

思维：对信息进行加工和处理，形成判断和决策；

行为：根据形成的判断和决策做出行动

心理表征

语言是一种典型的表征系统

心理表征有内容（总是关于什么的）；

心理表征有结构（能够支持复杂的操作）；

心理表征有载体（以某种具体的方式在心-脑中得以实现）

为什么人会有某种认知或者智能行为？

表征-计算理论的解释： 1.在人的心-脑之中有心理表征； 2.在心-脑之中有在这些表征上进行操作的算法程序； 3.这些程序，运用到表征上，产生出智能行为。

概念与概念的形成

个体对具同类属性事物获得的概括性的单一经验。概念是人认识事物及分类事物的心理基础。

人在将周围事物当信息来处理时，在编码与贮存的过程中，就是将信息按概念来分类处理的。因此，在认知心理学上，有时将概念形成与分类视为同义词；都用以指通过事物属性的辨识而获得认知的心理历程。

概念形成的心理历程

概念必须靠其属性来界定；没有属性的事物无法获得概念； ​ 概念的属性愈少，其所概的范围就越大，其所指涉的事物就愈不肯定；概念的属性愈多，其所“概”的范围就愈小，其所指的事物就愈肯定。

各类概念

连言概念：指概念中的属性可用相连的方式来说明，比如：小学生是指6～12岁在校的男女儿童。 ​ 选言概念：指概念中属性的组合，可以二者选一 或两者兼具的情形。如体育比赛中，裁判使用“好 球”一词。

条件概念：指将属性用作条件来说明语意的情形。 比如想上研究生就得先参加入学考试； ​ 双条件概念：指概念中之属性合于“若P则Q，若 Q则P的形式者”，比如有兴趣而读书，因读书而 有兴趣。

概念的组织特征

• 层级结构

• 网状结构

概念的来源

• 经验论：所有概念皆来自于经验学习（梨子的味道）

• 唯理论：许多基本概念是与生俱来的

当代认知科学的看法： 部分概念确实是与生俱来的（道德，社会公平）

思考的分类

1. 按方向分类

   指个人眼前并无固定待解决的问题，但却在 内心中不停地思考

2. 按结果分类

   韦特海默按思考的历程与结果，将思考分为复制性思考与创作性思考。

3. 按运作分类

   聚敛性思考，扩散性思考。

4. 按过程分类

   按部就班的思考过程。

推理

推理也称逻辑推理。推理是以某种原则为基础， 由已知之事件推未知之结果，其间经过的心理活动就 是思考。

分类：

• 演绎推理

• 归纳推理+

• 直观推断推理

什么是问题求解？

所谓问题求解，是指在问题的情境下，经由 思考与推理而达到目的的心理历程。

影响问题求解的心理因素

心向作用

是指因当事人的心向所产生的 作用。心向指心之所向，对于一件事的做法，如 屡屡采用同一种方法去做，久之成为习惯，以后 每一遇及类似情境时即不假思索地以同样方式去 处理。

功能固着

是指解决问题时，因个人在知觉上受情境中 条件（或因素）既有功能的影响，致使问题不易 解决的情形。

认知结构

认知结构是指个人对事物的一种基本看法

(五)学习与记忆

现代心理学中对学习的定义

学习是因经验而使行为或行为潜势产生较为持久改变的历程。学习是获得新能力的过程，学习的结果是形成记忆。

学习的四个概念

1. 行为或行为潜势改变

2. 较为持久的改变

   相对的，因为存在遗忘

3. 学习因经验而生

   a、有计划的练习或训练 b、经验活动未必是有计划的，可能只是在生活中的偶然情境中发生。

4. 学习有许多类型

桑代克学习理论

学习是经由尝试与错误的过程。 ​ 在尝试错误学习历程中，某一反应之所以 能够与某一刺激发生联结，原因是该反应能够获得满意的效果。

斯金纳操作条件作用理论

旨在探究个体在有限度的自由 活动的环境中，如何在其既有反应中学习 到运用其中的某一反应，达到某种目的。

学习课后作业

1.现代心理学对于学习的定义是什么？

学习是因经验而使行为或行为潜势产生较为持久改变的历程。学习是获得新能力的过程，学习的结果是形成记忆

2.操作条件作用的一般现象及原则。

一般现象：

• 类化与辨别现象

• 削弱与自发恢复现象

• 二层条件作用

• 行为塑造

原则：

• 强化是操作条件作用学习的重要概念

• 由强化物而产生强化作用

• 在操作条件作用历程中，强化物的安排显然也是 影响学习效果的重要因素。

3.试列举并简要说明3种以上的学习方法。

联结式学习：学习的联结理论强调复杂行为是建立在条件联系上的复合反应，学习就是在刺激与反应之间建立联结的过程；

顿悟式学习：不必靠练习或经验的，只要个体理解到整个情境中各刺激之间的关系，顿悟就会发生。

方位式学习：学习乃是经由认知而非经由刺激与反应联结的历程。

观察式学习：“耳濡目染、见贤思齐” 等教育效果，超越 了被动的奖与惩的外在控制，而改以主动求知向 善的方式学得，这就是观察学习。

潜在式学习：个体在某情境中产生了学习，但隐而不显，直 到在有必要的时候才在行为上显现出来的现象， 称为潜在学习。

记忆的定义

记忆是对因经验所学得并保留的行为，在需要时不必再练习即可重现的心理历程。

记忆的种类

分类依据主要是记忆维持的时间长短，记忆容量大小，是否有意识。

• 感觉记忆(瞬时记忆)

  记忆非常短暂，没有容量限制；

  感觉记忆不需要注意；

  以直接的方式对信息进行编码；

• 短期记忆(工作记忆)

  需要注意的参与；

  有意识的记忆；

  容量有限；

  工作记忆是在短时记忆的基础上扩展出的新概念，它强调时间内维持有限的信息。并且对这些内容进行心理加工操作的过程。

• 长期记忆

  能长期甚至永久保存

记忆的历程

1. 编码

   获取是对感觉通路和感觉分析阶段的输入信息进行登记；巩固是生成一个随时间的推移而增强的特征。

2. 存储

   将编码的信息留存在记忆中，是获取和巩固的结果，代表了信息的长久记录。

3. 检索

   指在必要时将贮存在记忆中的信息取出 应用的心理历程

记忆的测量

（1）回忆法

自由回忆法：对所回忆的资料在次序上不加限制。

依序回忆法：规定按一定程序回忆学得的资料。

（2）再认法

再次认知学习材料。

（3）再学习法

采用再学习时，要被试重新学习以前学过的材料，而达到初次学到时同样熟练的程度。

影响记忆的因素

（1）序位效应

指在多个项目连贯出现的情境下，各项目因其 在序列中的位置不同，而影响到学习后的记忆。

（2）闪光灯效应

指引人震撼的事件容易使人留下深刻的记忆。

（3）莱斯托夫效应

指学习材料中最为特殊的事件容易记忆。

记忆课后作业

1.简述并说明记忆处理历程的三个阶段。 2.简述感觉记忆、短期记忆和长期记忆的联系及区别。 3.记忆的测量方法及影响记忆效果的因素有哪些？ 4.简述程序记忆、情景记忆和语义记忆的要点。

• 程序记忆：与技能有关；有熟练程度之分；需要练习；自动执行

• 情景记忆：个体在一定时间和地点所发生事件的记忆。它的突出特点是意识觉知，后者具有个体会以往实际经验的个人特性。

• 语义记忆：关于世界基本事实和知识的记忆，语义记忆的信息具有抽象性和概括性特征。

(六)情绪与调控

情绪

所谓情绪，是指个体受到某种刺激所产生的一 种身心激动状态；是对客观事物是否符合个人需要而产生的态度体验及相应的行为反应。是人脑对客观外界事物与主体需要之间关系的反应。

情绪的性质

1. 情绪由刺激产生

   刺激以需要为中介产生情绪

   情绪通过态度体现及相应的行为反应表现出来

2. 情绪是主观意识经验

   因为情绪都是主观的，无法用客观方法来研究，只能采内省式的自陈量表法

3. 情绪状态不易自我控制

   在情绪状态下伴随产生的生理变化与行为反应， 当事人却是无法控制的。

4. 情绪与动机有连带关系

   情绪是伴随着动机性行为而产生的，如各种欲望； 在某些情形下，情绪本身即可视为动机，如恐惧。情绪能促进个体的行为活动。

情绪与动机

动机的起源主要由于内在的需要（生理的或心理的），其次是由于外在的诱因；而情绪则是缘于刺激。 ​ 动机未满足之前会一直存在，而情绪则会自行淡化或消失。

情绪理论

1）詹郎二氏情绪论

詹姆斯，郎奇

情绪并非由外在刺激所引起，情绪是由身体上生理变化所引起

2）坎巴二氏情绪论

坎农 ，巴德

强调情绪经验非起于身体生理变化， 情绪经验起于对刺激情境的觉知。

3）斯辛二氏情绪论

斯开特，辛格

情绪经验起于个体对两方 面信息的认知：一方面是对刺激情境性质（可笑 的还是可怕的）的认知；另一方面是对自己身体 生理变化的认知（自己觉得如何）。

上述三种理论相同之处：

所讨论者都是指某种情绪的产生。 ​ 在理论上所争议的，一直限于刺激情境、身心变化以及个人认知三方面的关系。

4）情绪相对历程论

所罗门

假定大脑中管理情绪的部位，可能存在某种组织，该组织在情绪状态时，会发生与此状态反向的相对作用。

课后作业

1.情绪的性质。 2.情绪的表达。

情绪的表达以面部的肌肉活动为主。表达方式有面部表情和肢体语言。

3.情绪经验的生成。

四种理论都提到了情绪经验的生成。

情绪表达的方式是天生的，而情绪表达的时机则与后天学习有关

(七)语言

心理语言学

主要是以心理科学的观 点与方法研究人类如何使用语言，从而达到人际沟通的目的；主要是探讨语言理 解与语言表达两方面的问题。

心理语言学基本概念

1. 语言的双向特征

   从语言沟通、学习、表达、理解过程中，语言是双向的

2. 语言的主动处理特征

   根据实验研究发现，我们在处理语言信息时，在认知活动上是主动的。

认知语言学

认知语言学把语言看作是一种认知活动，认知语言学的任务就是要研究与认知有关的语言的产生、获得、使用和理解过程中的共同规律及语言知识结构模式。

认知语言学基本特征

（1）语义在语言分析中的首要地位 （2）语义的普遍一致性 （3）语义的经验性

认知语言学的基本观点

语言是对客观世界认知的结果，是对现实进行概念化后的符号表达。

认知语言学以意义为中心。

用有规则的认知方式和有组织的词语来描述世界纷繁的事物，包括体验、范畴化、概念化、认知模式。

追求对语言现象以及语言与认知的关系做出统一解释。

对语言的解释必须参照人的一般认知规律。

语言输入的知觉分析

口头输入的知觉分析

需要克服：同样的词语在不同的语境中表达的不同意思、相同词语因发音不同表达的不同意思

分解口头输入，人可能是通过音韵信息，如重读或强调来获悉其表达的意义。口头输入中，涉及的脑区与听觉的回路是一致的。

音韵：听者从语音节奏和讲述者嗓音的音高所获取的信息。

音素：使一个单词意义发生变化的最小声音单位。

书面输入的知觉分析

需要识别词语的组成并理解其含义

模型：鬼域模型

首先，图像鬼提取词语的视觉信息（如识别car,分别提取“c”、“a”、“r”三个字母），之后特征鬼对视觉形象做分析（如根据曲线、横线等来识别这几个视觉形象的字母），而后，认知鬼将带有这些特征的字母激活，最后，最符合特征的表征被输出被决策鬼选择出来（也就是单词中的字母被识别了）。

语言和语言障碍的神经心理学

语言障碍，也通常称为失语症，指神经损伤导致语言理解和产生方面的整体缺陷。主要包括Broca失语症和Wernicke失语症。

人类语言的学习

（1）经验论

认为人类的语言是后天环境学得的经验。

（2）天赋论

认为人生而具有学习语言的能力。

常见认知障碍

1. 语言障碍，通常称为失语症；

2. 记忆障碍，如记忆缺陷，记忆错误；

3. 思维障碍，如抽象概括过程障碍、联想过程障碍、思维逻辑障碍、妄想等；

4. 感知障碍，如感觉过敏、感觉迟钝、内感不适、感觉变质、感觉剥夺、病理性错觉、幻觉、感知综合障碍；

(八)脑机接口

脑的节律

脑电图 (electroencephalogram, EEG) 是记录脑节律的经典方法。

脑电是什么？

脑电是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。

脑电信号按频率分类

Type	Frequency	Location	Use
Delta	<4 Hz	everywhere	睡眠
Theta	4-7 Hz	额区、中央区、颞区，顶区	与情绪压力相关（沮丧和失望）
Alpha	8-12 Hz	枕部	大脑皮层处于清醒放松状态时电活动的主要表现
Beta	12-36 Hz	顶叶和额叶	在中枢神经系统强烈活动或紧张时出现
Mu	9-11 Hz	额叶（运动皮层）	中央区mu节律已被证明调节体感刺激的知觉

脑机接口的组成

脑机接口的主要组成部分由“脑”，“机”，“接口”三个典型环节组成（课本P186）还有一个BCI组成位于P181

脑：负责提供生物信号的输入；

机：负责执行外部设备的操控输出

接口：负责信号的运输、特征提取、模式识别和控制命令生成等信息处理系列问题。

CSDN上关于BCI系统的组成的论述：

BCI系统由信号采集、信号处理、应用接口和反馈机制四部分组成。 信号采集模块使用两种技术（即有创或无创电极）记录大脑活动。 信号处理模块帮助从记录的信号中提取必要的信息，它由数据预处理、特征提取和分类算法组成。 转换后的信号通过应用程序接口进行通信。 最后，反馈机制实时产生结果，帮助用户了解系统所采取的行动。

BCI类型

SSVEP

稳态视觉诱发电位(Steady-state Visual Evoked Potentials, SSVEP)属于视觉诱发电位(Visual Evoked Potentials, VEP)，是指当人眼受到一个恒定频率（通常大于4Hz）的视觉刺激时，大脑视觉皮层会自动产生与刺激频率及其谐波频率同频率的响应。

SSVEP是根据不同频率视觉刺激下的视觉皮层采集的脑电信号，特征提起分类后，输出控制命令，简而言之就是通过注视闪烁目标，将注视的目标选取并输出，实现脑机交互。SSVEP的优势在于快速、正确率高、指令集丰富的特点，可以在短时间内实现大量指令的输出。

基于SSVEP的脑机接口的生理背景

SSVEP是对以高于6 Hz的频率调制的视觉刺激的响应 SSVEP可以从头皮在视觉皮层上记录，最大振幅在枕部 该响应的特点是产生显著的基波和二次谐波反应在中心视野最显著 信号处理的任务是确定SSVEP的频率，以确定屏幕上的注视方向

P300 Speller

P300是大脑认知过程中产生的一种事件相关电位，主要与期待、意动、觉醒、注意等心理因素有关。Sutton等人发现，当人脑受到小概率相关事件的刺激时，脑电信号中会出现一个潜伏期约为300ms的正向波峰，P300因此得名。

应用：

在基于P300的oddball刺激范式 BCI 系统研究中，最经典的应用是Farwell和Donchin在 1988年提出并设计的字符拼写器简称为P300 Speller。如下图所示，使用26个英文字母和 1-9个数字以及下划线排列成 6 x 6 的虚拟键盘矩阵。随机高亮字符矩阵的某一行或某一列，一次实验中6 x 6列均被高亮亮一次，一共12次高亮刺激。受试者必须将注意力集中在矩阵中的字符上，以此来选择组成单词的每个字母。当包括此字符的行或者包含此字符的列被高亮时（也就是oddball范式中的靶刺激），要求受试者对此做出反应，予以计数，会产生P300波形；当不包含此字符的行或者列加亮时，被试不做出反应，不予计数，不会产生P300波形，通过解析脑电信号中的P300时序位置，并对照刺激序列的时序，进而确定刺激的行列位置，从而确定出受试者注视的字符，达到根据思维打字的目的。为了有助于保持受试者的注意力，通常要求受试者对目标字符高亮的次数进行计数。值得注意的是重复高亮次数越多，识别准确率越好，但会增加拼写时间。再者每一个字符也可以代表着一个控制指令，从而可以实现36个控制指令。

P300 Speller 接口设计

1. 设计规则

   刺激强度

   刺激间距：>500ms

   实际任务：计数，着色。

2. 预处理

   过滤：0.1-20Hz

   视频损伤去除

   分段

   缩减像素采样

   通道选择

3. 特征提取

   锁时叠加平均

   波形

4. 分类器

   SVM, BDA, LDA

   运用P300 vs 不用P300

常用情绪识别的脑电特征与分类算法

时域特征

• 能量：大脑皮层的活跃程度影响 EEG 的振幅, 进而反映为能量的波动. 信号的能量在时域上表示为幅度的平方

• 

• 时域功率：平均功率可以用能量除以采样数得到

  

• Hjorth 参数特征：Hjorth 定义了信号在时域上的 Hjorth 参数特征 ，Activity 衡量信号波幅的偏离程度， Mobility 衡量坡度的变化，Complexity 衡量一个振幅上有多少个标准的坡 (slope)

  

• 高阶过零分析(Higher Order Crossing,HOC)用信号通过零点的次数来反映信号的振荡程度. 将 EEG 序列 s(n) 转换为均值为 0 的序列 Z(n), n = 1, 2, . . . , N, 将该序列通过 M 个高通滤波器, k 表示滤波器的顺序

• 分形维数 (fractal dimension, FD) 可用来表示时域信号的复杂程度

频域特征

• 功率谱密度 (power spectral density, PSD)描述信号的功率随频率的变化情况。

• 微分熵 (differential entropy, DE) 是香农 (Shannon)信息熵在连续变量上的推广形式 。用PSD取对数即可得到DE。

时频域信号变换

时域与频域结合的时频域. 通常做法是划分出若干时间窗, 各窗内的子信号近似平 稳, 将其变换至频域得到一组频域特征, 滑动时间窗可处理不同时段, 从而同时获取信号的时域和频域信息, 提高对不稳定信号的处理能力, 可粗略计算情绪开始和持续的。通常使用短时傅里叶变换 (short-time Fourier transform, STFT)、小波变换 (wavelet transform, WT) 和小波包变换 (wavelet packet transform, WPT) 或 Hilbert-Huang 方法来进行时频域信号变换.

θ (4-8 Hz) ​ α (8-13 Hz), ​ β (13-30 Hz), ​ low γ (30-45 Hz), and high γ (55-80 Hz)

光谱特征

 

支持向量机（Support Vector Machine, SVM）

SVM是一种二分类模型，它的基本模型是定义在特征空间上的间隔最大的线性分类器，间隔最大使它有别于感知机；SVM还包括核技巧，这使它成为实质上的非线性分类器。SVM的的学习策略就是间隔最大化，可形式化为一个求解凸二次规划的问题，也等价于正则化的合页损失函数的最小化问题。SVM的的学习算法就是求解凸二次规划的最优化算法。

常见核函数

多项式核（polynomial kernel） 径向基函数核（RBF kernel） 拉普拉斯核（Laplacian kernel） Sigmoid核（Sigmoid kernel）

K最近邻（KNN，K-Nearest Neighbor）

邻近算法，或者说K最近邻（KNN，K-Nearest Neighbor）分类算法是数据挖掘分类技术中最简单的方法之一。所谓K最近邻，就是K个最近的邻居的意思，说的是每个样本都可以用它最接近的K个邻近值来代表。近邻算法就是将数据集合中每一个记录进行分类的方法

常见距离函数

欧氏距离，曼哈顿距离

Fisher线性判别

Fisher决策的出发点是：把所有的样本都投影到一维空间，使得在投影线上最易于分类 。 Fisher判别法是根据方差分析的思想建立起来的一种能较好区分各个总体的线性判别法，是一种投影方法，把高维空间的点向低维空间投影。在原来的坐标系下，可能很难把样品分开，而投影后可能区别明显。一般说，可以先投影到一维空间(直线)上，如果效果不理想，在投影到另一条直线上(从而构成二维空间)，依此类推。每个投影可以建立一个判别函数 。

K-fold交叉验证

交叉验证(Cross-Validation): 有时亦称循环估计， 是一种统计学上将数据样本切割成较小子集的实用方法。于是可以先在一个子集上做分析， 而其它子集则用来做后续对此分析的确认及验证。 一开始的子集被称为训练集。而其它的子集则被称为测试集。 K-fold：将原始数据分成K组(一般是均分),将每个子集数据分别做一次验证集,其余的K-1组子集数据作为训练集,这样会得到K个模型,用这K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数作为此K-CV下分类器的性能指标.K一般大于等于2,实际操作时一般从3开始取,只有在原始数据集合数据量小的时候才会尝试取2. 而K-CV 的实验共需要建立 k 个模型，并计算 k 次 测试集的平均辨识率。在实作上，k 要够大才能使各回合中的 训练样本数够多，一般而言 k=10 (作为一个经验参数)算是相当足够了。 其他CV模型，比如Hold-Out Method相当于K=2；Leave-One-Out Cross Validation(记为LOO-CV)相当于K=N,N为样本的数量。

神经元计算模型

1. MP模型

   M-P感知机是一个多输入单输出的模型，虽然结构简单，但具有一定的计算能力

   通过学习权重，它能正确的分类样本(二分类)，但只能是线性分类

   训练算法

   

   

脉冲神经元模型

传统的人工神经元模型主要包含两个功能，一是对前一层神经元传递的信号计算加权和，二是采用一个非线性激活函数输出信号。 前者用于模仿生物神经元之间传递信息的方式，后者用来提高神经网络的非线性计算能力。相比于人工神经元，脉冲神经元则从神经科学的角度出发，对真实的生物神经元进行建模。

• Hodgkin-Huxley（ HH）模型

  HH模型是一组描述神经元细胞膜的电生理现象的非线性微分方程，直接反映了细胞膜上离子通道的开闭情况。

• Leaky Integrate and Fire(LIF)模型

  LIF模型将细胞膜的电特性看成电阻和电容的组合。

• Izhikevich模型

  lzhikevich模型结合了两者的优势，生物精确性接近HH模型，运算复杂度接近LIF模型。

神经脉冲序列

在完成神经元的建模之后，需要对神经元传递的信息进行编码，一种主流的方法是通过神经元的放电频率来传递信息。在大脑皮层，连续动作电位的时序非常没有规律。一种观点认为这种无规律的内部脉冲间隔反映了一种随机过程，因此瞬时放电频率可以通过求解大量神经元的响应均值来估计。另一种观点认为这种无规律的现象可能是由突触前神经元活动的精确巧合所形成的，反映了一种高带宽的信息传递通路。

瞬时放电频率

瞬时放电频率可定义为神经元响应函数的期望，根据概率学统计理论，以某一小段时间间隔内的神经元响应函数的均值来作为放电频率的估计值。

齐次泊松过程

脉冲的生成与泊松分布的概率密度函数形式相同，说明了脉冲发放过程可用泊松过程来模拟。

泊松脉冲序列的生成

对于齐次泊松过程，在固定时间间隔内，产生一个脉冲的概率为因此，以泊松模型产生神经脉冲序列的方法如下。选取一个固定的时间间隔，产生一个 区间的符合均匀分布的随机数

脉冲神经网络的训练方法

1. 无监督学习

   这类算法从生物可解释性出发，主要基于赫布法则 (Hebbian Rule)。Hebb在关于神经元间形成突触的理论中提到，当两个在位置上临近的神经元，在放电时间上也临近的话，他们之间很有可能形成突触。而突触前膜和突触后膜的一对神经元的放电活动（spike train）会进一步影响二者间突触的强度。

2. 有监督学习

   有监督学习算法依据是否具有生物可解释性分为两大类，一种是基于突触可塑性的监督学习算法，另外两种分别是基于梯度下降规则的监督学习算法和基于脉冲序列卷积的监督学习算法。