脑机接口基础

脑机接口(brain-computer interface)

1.脑机接口的定义

脑机接口是允许大脑与各种机器之间进行通信的系统。
它们的工作分为主要三个步骤：收集大脑信号，对其进行解释，然后根据接收到的大脑信号向连接在一起的机器输出命令。

2.脑机接口的分类

2.1非侵入式

• 传感器被放置在头皮上，以测量大脑或磁场产生的电势
• 采集EEG（脑电图）信号，将电极放在头皮上，也就是在最外层部分。

2.2半侵入式

• 电极被放置在大脑暴露的表面
• ECoG（皮层脑电图）信号取自硬脑膜或蛛网膜上的电极。

2.2.1ECoG的优点

• 高空间分辨率和信号保真度：ECoG优于EEG的好处是空间分辨率更高，因为信号不必传播到头皮。ECoG中的空间分辨率为十分之一毫米，而EEG中的空间分辨率为厘米。
• 抗噪音：ECoG信号不受噪声和伪影的影响，例如，EMG(肌电图-由肌肉运动引起)和EOG(眼电图-由眼睛运动引起)
• 长期记录中具有较低的临床风险和健壮性：电极阵列不需要穿透皮层，这比侵入式记录更安全
• 高振幅：ECoG记录最大为50–100 µV

2.3 侵入式

• 这些微电极被直接植入大脑皮层，测量单个神经元的活动
• 侵入式（有创）将电极植入皮质，直接获取脑实质内信号
• 一种是单个单元BCI，它能检测来自单个区域脑细胞的信号；另一种是多单元BCI，它能检测来自多区域的信号。

3.无创（非侵入式）的常用技术

3.1MEG脑磁图

3.1.1什么是MEG？

它是一种功能性神经成像技术，通过使用非常灵敏的磁力计来记录大脑自然产生的电流产生的磁场，从而达到绘制大脑活动的目的。”

3.1.2它是如何工作的？

MEG测量由大脑中的电流引起的磁场，与EEG相比，它提供了更好的空间分辨率[7]。为什么？因为颅骨和脑内液体的空间模糊效应使磁场遭受的影响远小于电场[8]。“MEG对切向信号源最敏感，对径向信号源敏感度低”。“MEG在检测高频活动(例如，高于60 Hz)方面优于EEG。这是因为磁场穿过颅骨和头皮，而电场是通过这些组织传导，从而降低了高频时的信噪比。”

3.2PET正电子发射断层扫描

3.2.1什么是PET?

PET是一种核成像技术，用于医学中以观察不同过程，例如血液流动，新陈代谢，神经递质。

3.2.2它是如何工作的？

少量放射性物质(称为放射性示踪剂)被注入血流中，到达大脑。在大脑中，放射性示踪剂附着在葡萄糖上并产生一种称为氟脱氧葡萄糖(FDG)的放射性核素[10]。大脑使用葡萄糖，它会根据不同区域的活动水平而显示出不同的水平。PET扫描的图像是彩色的，其中活动较多的区域以较暖的颜色显示为黄色和红色。大脑的PET扫描通常用于检测癌症或其他疾病。

3.3功能磁共振成像功能磁共振成像

3.3.1 什么是fMRI？

功能磁共振成像或功能性MRI(fMRI)是一种使用MRI技术的功能性神经成像程序，可通过检测与血流相关的变化来测量大脑活动。 该技术依赖于脑血流和神经元激活耦合的事实。当大脑的某个区域处于使用状态时，流向该区域的血流量也会增加。

功能磁共振成像已于1990年代开发。这是一种非侵入性且安全的技术，它不使用辐射，易于使用，并且具有出色的空间和良好的时间分辨率。

3.3.2它是如何工作的？

在大脑中，毛细血管红细胞中的血红蛋白将氧气输送到神经元。活动导致对氧气的更多需求，从而导致血液流量增加。血红蛋白是否被氧化会改变其磁性。这种差异使MRI机器(带有强大电磁体的圆柱管)能够检测特定时刻大脑的哪些区域处于活动状态。

3.4fNIRS近红外光谱

3.4.1 什么是fNIRS？

功能性近红外光谱法(fNIR或fNIRS)是将NIRS(近红外光谱法)用于功能性神经成像的目的。使用fNIR，可通过与神经元行为相关的血液动力学反应来测量大脑活动。

一种测量局部大脑皮层活动的光学技术

3.4.2它是如何工作的？

fNIRS与fMRI一样测量血液流动的变化，但使用的是另一种技术，即红外光与磁场。

当任务开始时，会消耗氧气，随着复杂性的增加，对氧气的需求也会增加。功能磁共振成像测量消耗了多少氧气。fNIRS还可以测量该区域有多少氧气含量。

但是，fNIRS的时间分辨率不如EEG。fNIRS每秒采集10个样本，而EEG每秒500到1000个样本。而且空间分辨率不如fMRI。例如，fMRI可以对大脑皮层下的大脑区域成像，而fNIRS无法分析经过皮质的图像，无法捕获任何皮质下激活。事实上，许多研究人员在SfN展示了他们使用该仪器作为其EEG或fMRI数据的补充。

优势：

• 非侵入性
• 随身携带
• 无障碍
• 与fMRI和EEG相比，对伪像的敏感性较低

具有与EEG fMRI更相似的时间分辨率，fMRI可以每2秒记录一个样本，fNIRS可以每1秒记录10个样本。
fNIRS比EEG更好的空间分辨率，比fMRI更好的时间分辨率.

3.5脑电图

3.5.1 什么是EEG？

脑电图记录头皮表面的大脑电活动。

3.5.2它是如何工作的？

电极被放置在头皮上以获取大脑产生的电流。

当神经元放电时，会形成偶极子，在突触处有较低的电压，在轴突处有较高的电压。如果是抑制性神经元，偶极子就会翻转，轴突的电压较低，突触的电压较高。是什么导致神经元内部发生这种电压偏移？钠离子(Na+)通道沿树突打开，产生大量正电子，此正电荷沿着轴突移动，打开更多的钠离子(Na+)通道，并导致电荷沿着轴突移动，在突触处放电，并释放神经递质。当成组的神经元一起放电时，它们为我们提供了足以从头皮进行测量的信号。我们只能使用EEG(大约直径的四分之一大小)来测量神经元簇。

优点：它是便携式的，可以放入一个小手提箱中(与MEG相比，MEG需要建造专门的房间)。实验室级EEG系统可能很昂贵，但比其他BCI方法便宜。近年来，已经发布了越来越多的商业EEG系统。

脑电图数据包含有节律的活动，反映了神经振荡。振荡由频率，功率和相位来描述。振荡发生在特定的频率上(即，以一定的速率)。这些变量包括delta，theta，alpha，meta和gamma。研究发现，这些节律与不同的大脑状态之间存在关联。例如，通常用于冥想等目的的商用EEG头戴式耳机通常会测量以alpha频率出现的大脑活动量。

3.5.3空间分辨率

EEG的空间分辨率取决于所用电极的数量。在研究中，当需要更高的空间分辨率时，通常至少使用32个电极，最多为256个。通常，EEG的空间分辨率较低(例如，与ECoG和fMRI相比)，因为信号需要向上穿过不同的层到头骨。但是，可以使用某些类型的过滤器或通过将EEG与其他工具(例如fMRI)组合来提高分辨率。（电极放置的图像…）

电极越多，花费更多的时间(例如，设置)，带宽(用于数据收集和分析)和金钱(用于材料)。商用耳机通常使用较少的电极，因为不一定需要高空间分辨率(即，定位产生信号的精确大脑区域)。

“脑电图的空间精度相当低，但是可以通过表面拉普拉斯算子或自适应源空间成像技术等空间滤波器来提高”

同样，空间精确度也很低，因为电极记录的活动是由不同大脑区域产生的不同信号的混合，这些大脑区域与放置在电极下方的大脑区域接近和远离。微观尺度(小于几立方毫米)=EEG不可见，电位不足以到达头皮。可以使用EEG，但使用64个以上的电极和空间滤波技术，介观尺度(几立方毫米至几立方厘米的皮质斑块)=可以用EEG检测。宏观尺度(许多立方厘米的大皮质区域)=容易用EEG测量.

3.5.4时间分辨率

脑电图的优点是它具有良好的时间分辨率。在一秒钟内，可以在不同传感器上拍摄上千张电子活动的快照。根据实验，在EEG中可以使用多达500个的多个电极。它们用于安装在帽上，以便从同一头皮区域收集数据。

3.5.5自发性的EEG

脑电信号分为自发性和诱发性两种，自发性EEG是在没有特定外界刺激的情况下大脑皮层的神经元自发性的进行电活动；诱发性EEG指由感官刺激引起的大脑皮层某一区域的电位的节律性变化。

自发性的EEG变化范围一般在1-30Hz之间，一般根据频率分为4个波段：

Delta波：0.5-4Hz，一般在大脑皮层的额叶和枕叶出现，振幅为20-150uv，只有在极度疲乏、器官病变或者深度睡眠的情况下才会出现；

Theta波：4-8Hz，一般在大脑皮层的额叶和顶叶出现，振幅为20-150uv，正常人在疲倦或缺氧时可以产生，精神类疾病患者也可以检测到该波；

Alpha波：8-13Hz，一般在大脑皮层的枕骨区出现，振幅为20-200uv，人在精神放松状态并且闭眼时可以检测到该节律，睁眼时消失，一般将其作为人睁眼闭眼的依据；

Beta波：14-30Hz，一般在大脑皮层的枕骨区出现，振幅为5-20uv，医学上一般认为在人受到惊吓或高度紧张状态时出现，该节律与事件相关电位联系紧密，在BCI系统的研究中占据着重要地位；

此外，u波在关于运动想象思维任务的BCI研究中占据着重要地位，该节律主要出现在大脑的运动感觉皮层，频率范围是8-12Hz，与人的躯体运动有着密切关系。

3.6比较

脑机接口可以使用任何类型的脑成像。这些包括功能磁共振成像、PET和近红外光谱(NIRS)，它们依赖于血流的变化，以及分别测量大脑磁活动和电活动的脑磁图(MEG)和脑电图(EEG)。fMRI和NIRS的空间分辨率较高，但时间分辨率较差；MEG和PET具有较高的时空分辨率；脑电具有较低的空间分辨率和较高的时间分辨率。目前，fMRI和MEG依赖昂贵而笨重的设备；PET需要向血液中注入放射性物质。因此，依赖近红外光谱(NIRS)的方法，特别是依赖脑电图(EEG)的方法是最常用的。