探索思维的力量：脑机接口研究现状与展望

 脑机接口通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息,构建人脑与外部世界的直接信息传输通路。近20年来,脑机接口领域迎来了快速发展,取得了一系列重要研究与应用成果。本文从信息交流与控制、功能康复与增强、状态识别与监测3个主要发展方向综述了脑机接口的研究现状,并对脑机接口的发展所面临的机遇和挑战进行了展望。     

2017年脑机接口研发热点回眸

 脑机接口通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息，构建人脑与外部世界的直接信息传输通路。近年来脑机接口领域发展已经步入快车道，相关技术正在走向成熟，并得到工业界越来越多的关注。本文盘点了2017年度脑机接口在应用系统实现方面所取得的重要成果，介绍了其应用关键技术研究的新进展，展望了脑机接口研发的未来趋势。     

基于运动想象的双脑脑机接口系统设计与鼠标控制应用

脑机接口是在大脑与外部设备之间建立的直接交流通道,是脑科学的重要研究领域。目前,单被试脑机接口研究已经较为成熟,关于双脑协作的脑机接口研究还比较少。本文设计实现了一种基于运动想象的双脑协作在线脑机接口系统,利用两套脑电放大器、协同控制技术实现了系统的硬件平台搭建。算法控制部分采用信息论特征提取算法,选取共空间模式的最优空域模式和支持向量机分类,实现了双脑协作控制鼠标移动并到达指定目标。本文采用初始位置到目标位置的实际步长与理论最短步长比评价系统性能,4组(8人)的平均步长比值为1.32。研究提供了一种双脑协作脑机接口的设计方案,可用于协同控制多维度目标、提高信息传输速率、研究脑间同步、团队决策等方面的关键技术,为脑机接口进一步发展提供了新思路。     

2018年脑机接口研发热点回眸

 脑机接口提供了人脑与外部设备之间的直接通信通道,它的独特之处是不依赖于外周神经和肌肉组织。近年来,脑机接口领域发展迅速,脑机接口研究正在不断扩展,其应用范围也在不断扩大。本文综述了2018年脑机接口领域在系统应用与关键技术方面所取得的重要研究进展,展望了脑机接口智能化、移动化的发展新趋势,并提出脑机接口伦理风险的新思考。     

基于脑电的无创脑机接口研究进展

 脑机接口在脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经和肌肉的交流与控制通道，从而实现脑与外部设备的直接交互。脑电因具有非侵入式、易于使用及设备价格低廉等特点而被广泛应用于脑机接口。本文回顾了基于脑电的无创脑机接口的研究历史，从脑机接口的类型、应用及面临的挑战3个方面综述了脑机接口的研究现状，并展望了脑机接口的未来发展前景。     

脑机接口技术的神经康复与新型应用

 脑机接口（BCI）是脑认知神经科学与工程技术的一种新型人机信息交互方式,可无需依赖常规外周神经肌肉便能实现人意念思维与外界环境和设备的信息交互及操作控制,使“思想”直接变成“行动”,现已成为大脑认知机制解密、智能人机交互开发的全新“窗口”,也是未来人-机交互式混合智能发展的核心。本文综述了脑机接口在助力人工智能的科技背景、研究现状、应用领域及未来发展趋势。     

脑机接口的伦理问题及对策

 随着神经科学对人脑信息编码和加工机制的深入揭示以及脑机接口技术的日益革新，脑机接口的范围和精度得到了快速扩大和提升，应用场景也越来越广泛。伴随着技术与应用的发展，潜在的伦理问题逐渐暴露。本文结合脑机接口研究进展，分析其可能存在的安全、隐私、公平及自由意志等问题，提出降低伦理风险、让脑机接口更好地服务人类的建议。     

自由活动动物的脑电信号分析与识别

通过脑电信息识别意识行为并控制外围设备运行的脑机接口(Brain-computer interface,BCI)技术研究已成为神经科学与信息工程技术交叉学科的热点课题,分析行为活动中的脑电特征是BCI研究中的一个重要内容。利用自制金属微电极通过多道生理信号采集处理系统采集大鼠脑电局部放电,提取出与特定行为(抓食)相关的脑电活动特征信号,为大脑对行为的控制研究提供了一个有效的方法。     

脑-机接口中脑波的拾取及滤噪的研究

脑-机接口（BCI）是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的一种直接信息交流和控制通道,是一种不依赖于常规大脑输出通路（外周神经和肌肉组织）的全新信息交流系统．BCI作为一种全新的信息交换与控制技术,将能为瘫痪病人,特别是那些丧失了基本肢体运动功能但思维正常的患者,提供一种与外界进行信息交流与控制的新途径,正受到越来越广泛的关注．脑-机接口中脑波的拾取及滤噪是其重要的环节,本文对脑-机接口中拾取脑波及干扰克服的方法进行了研究和分析．     

基于脑电的脑机接口刺激系统的研制

脑机接口(BCI)是在人脑和外界之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路的一种通讯系统.脑机接口刺激系统的作用是通过对受试者施加一定的外界刺激来诱发具有一定特征的脑电波.本研究基于多种刺激模式的脑机接口视觉刺激器,采用计算机编程,在计算机屏幕上实现了基于VEP、P300、想象运动的3类刺激模式.该系统能够通过特定的刺激从而有效地诱发出可识别特征的脑电信号,采用XML技术使得该刺激系统具有较强的可扩展性,可以满足脑机接口实验的需要.     

基于长短期记忆网络的解码器设计及闭环脑机接口系统构建

随着脑机接口技术的发展,该技术在残疾人肢体功能恢复等方面应用越来越广泛。首先,在简介经典单关节信息传输模型基础上,设计并训练基于长短期记忆网络的解码器,代替原有脊椎电路通路将大脑信号传递给假肢;其次,为了在感觉反馈通路缺失时,仍能准确地恢复肢体运动功能,结合基于无模型控制策略设计的辅助控制器,构建闭环脑机接口系统,实现恢复关节活动障碍者缺失的感觉反馈通路从而实现跟踪期望轨迹的目的。由仿真可知,基于长短期记忆网络设计的解码器的离线解码效果良好。构建的闭环脑机接口系统对期望轨迹的跟踪以及缺失信息通路的恢复的结果验证了无模型控制辅助控制器良好的控制性能以及构建的闭环脑机接口系统的有效性。     

脑机接口的MapReduce计算模型

研究了脑机接口各项计算任务的时间关系,把脑机接口的计算过程分成了三个阶段,并把前两个阶段映射为了MapReduce机制的Map和Reduce,提出了脑机接口的MapReduce计算模型. 由于脑机接口的绝大多数计算量集中在前两个阶段,该模型能够显著减少脑机接口的计算时间.     

基于功能性近红外光谱技术的脑机接口

为了探究功能性近红外光谱技术(fNIRS)对相同动作的运动想象和运动执行区分可行性以及前额皮层对运动想象和运动执行分类准确率的影响,研究测量了15位受试者手臂伸展和手指敲击的运动想象过程和运动执行过程的前额皮层和运动功能皮层的血氧变化信号.提取均值,斜率,二次项系数和近似熵特征建立基于支持向量机的四分类模型.对应于手臂伸展和手指敲击的四分类模型,分别实现了87.65%和87.58%的分类准确率.相对于单独运动功能皮层区域建立的运动功能皮层-fNIRS-脑机接口,引入前额皮层血氧变化信息能显著提高脑机接口分类性能,且对手指敲击动作的提高效果大于手臂伸展动作.因此,前额皮层区域的血氧响应生理特征能提高fNIRS-脑机接口的分辨性能,同时验证了fNIRS-脑机接口应用于多种肢体动作脑功能活动提取的可行性.     

基于多种灰度闪光刺激的P300脑-机接口性能研究

因P300脑-机接口系统的准确率和信息传输率较高,已被广泛应用。研究表明,视觉刺激的强度会影响脑-机接口系统的性能,本文对此展开了相关范式研究。首先,按人眼感知灰度的敏锐度将视觉刺激强度划分为9种灰度值并设计刺激范式;然后,通过实验采集9种灰度值刺激源诱发的P300电位数据;最后,对数据进行分析,得到灰度值与P300电位强度和电位分类准确率的关系信息。实验结果表明,振幅、潜伏期与灰度值之间存在一种波动增长关系,同样,灰度值与电位分类准确率也呈现此种关系,为P300脑-机接口系统的刺激源设计提供了重要依据。     

基于P300的脑-机接口: 视觉刺激强度对性能的影响

脑-机接口(BCI)是大脑与外部世界直接的交流通道.为了研究视觉刺激强度对基于P300的脑-机接口性能的影响,设计并实现了一种基于5个选择oddball的P300诱发电位范式的脑-机接口系统,并在此系统中研究2种不同强度下视觉刺激(高强度和低强度)下脑-机接口的信息传输率差异.9名受试者参加了实验,每位受试者在高低2种强度视觉刺激下各采集40组数据,数据在预处理后使用支持向量机进行分类,最终的目标识别率分别为84%和81%.平均波形表明在所设计的范式下2种强度视觉刺激均可以诱发出稳健的P300电位,离线分析表明高强度视觉刺激下平均信息传输率可以达到4.9 bit/min, 而低强度视觉刺激下为 4.5 bit/min.     

教育领域中的脑-机接口应用：动向与挑战

 概述了脑-机接口技术与理念,总结了脑-机接口个体化、实时化和场景化3个重要技术特点;从学习状态识别、学习者个体特质测评和学习障碍干预3方面梳理了脑-机接口在教育领域的研究成果;探讨当前研究存在的问题,从理解、优化现有教育场景和开创新型教育场景等方面展望了脑-机接口未来的应用方向。     

基于视觉双特征的并行联合脑-机接口范式的研究

基于多特征的并行联合脑-机接口与单一特征脑-机接口相比,能利用更多信息和并行方式提高特征提取和系统执行效率。提出了一种基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)和运动起始视觉诱发电位(MVEP)的双特征并行联合脑-机接口范式,通过设计3×3字符拼写范式,矩阵中纵列白色竖条按设定频率闪烁诱发SSVEP,横行中白色竖条随机运动诱发MVEP。实验表明,被试者关注目标字符时,两种特征脑电信号被同时诱发出来,并且对两种脑电信号进行特征识别能够检测出被试者选取的目标字符。联合范式并行的刺激编码方式有效节约了刺激诱发时间,为构建更为实用的联合脑-机接口提供了一种实现方法。     

脑-机接口技术综述

脑-机接口(brain computer interface,BCI)是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道,通过这种通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作.脑-机接口是一种全新的通讯和控制技术.对脑-机接口技术的发展、研究现状、工作原理以及涉及的关键技术进行了较为详细地综述.     

基于相位同步指数的运动想象脑电平行坐标可视化分类

脑电相位同步可以反应大脑不同功能区域之间的连接性能,是当前脑科学研究中最活跃的课题之一。平行坐标作为信息可视化的主流技术,在可视化数据分析和模式识别领域有广泛应用。本文以脑机接口竞赛的运动想象脑电数据(Data Ⅲ)为对象,以平行坐标可视化技术为手段,基于相位同步指数和线性判别分类器对左右手想象意识任务进行识别。结果表明,信息可视化技术为脑机接口系统的实现提供新的思路。     

实现"人机物"三元融合——谈脑机接口中的人脑优势发挥

脑机接口技术是指在大脑或者脑类器官与人工电子设备之间建立起不依赖于常规大脑信息传递通道的通讯与控制技术[1].完整的脑机接口系统包括神经信号采集与处理、神经信号编解码控制设备和信息反馈等(如图1所示). 具体而言,腑机接口通过信号采集设备从生物大脑内采集原始脑电信号,经过放大、滤波、数模转换等步骤转换为可被计算机识别的...