脑机接口——脑信息读取与脑活动调控技术

脑机接口(brain-computer interface, BCI)技术通过建立大脑与外部设备之间直接的信息交流和信号控制通道,实现脑思维活动与外界通信和交互作用,从而进行脑信息读取、外部执行设备的控制,以及脑活动的调整和控制.脑机接口是一种多学科融合的交叉技术,涉及神经科学、计算机科学、通信与信息处理技术、人工智能技术等,展现了广阔的发展和应用前景,包括医疗与康复、科学与教育、自动驾驶、工业控制等.同时,脑机接口技术的发展和应用面临重要的技术以及法律和伦理方面的挑战.本文简要介绍脑机接口技术的基本原理和组成,从信号获取、神经解码和认知脑机接口等关键技术角度阐述了国内外研究现状:从技术角度,讨论了脑机接口技术面临生物兼容性、通信速率、信号获取和处理、神经解码、安全等方面的挑战;从伦理和法制角度,指出该技术面临隐私、自由意志、身份认同和社会公平等方面的挑战.最后,展望了脑机接口技术未来的研究方向和应用前景.     

脑磁图与大脑功能检测

脑磁图是研究大脑活动的一种新手段,它通过对脑神经电流产生的微弱生物磁场的测量,对脑活动进行功能性成像.本文介绍了脑磁图的特点、基本工作原理、研究现状和在临床医学和基础脑科学研究中的应用,以及目前脑磁图研究中存在的问题和解决途径.     

脑功能理论的当代发展和前沿研究计划

21世纪以来,研究人员逐渐揭示出人脑前额叶特别是内侧前额叶的认知功能,脑内的社会镜像神经元系统以及默认网络.这些发现,扩展了20世纪关于经典特异神经通路和网状非特异系统的概念,认识到人脑含有4类机能解剖系统.除了并行协同工作的特异系统和网状系统外,人脑还有以180°相位差交替转换式活动的默认网络和社会认知网络.在所概括的4条神经信息处理机制中,由于自然脑进化的遗传保守性,人脑和动物脑共性大,而与电脑间存在本质差异.人脑功能的独特性体现为社会属性和生物属性高度融合的巨复杂性、四层次性及其包容性.本文简要介绍了脑连接组计划、脑活动图计划和中国脑计划,希望能引起人们关注人脑、动物脑和电脑的共性和本质差异,以便更正确地对待脑科学和人工智能领域的研究成果.     

面向fMRI数据的人脑功能划分

人脑是目前人类发现的最复杂和最具智能的功能组织系统之一.数以万计的神经元相互连接形成了复杂的脑结构,并通过相互间的作用表现出多样的智能活动.脑功能研究是脑科学研究中最重要的内容之一,尤其是功能磁共振成像(f MRI)技术的出现,为人脑功能的研究带来了新的发展机遇.近年来,开始利用基于f MRI数据的计算方法对人脑进行功能的划分,已有研究表明,功能划分所产生的人脑功能子区域比结构图谱中的脑区具有更高的功能一致性,因此更适合用于人脑的功能分析.进一步讲,把人脑功能划分产生的功能子区域用于人脑功能网络的构建能够获得更具可解释性的人脑功能网络,能为人脑疾病机理的研究和探索提供新的手段.本文以f MRI数据为基础,首先,介绍了f MRI数据采集、人脑功能划分及其基本流程;其次,给出了一种人脑功能划分方法的分类体系,并详细阐述了其中主要的人脑功能划分算法;再次,梳理了人脑功能划分中常用的相似性度量和评价指标;最后,总结了人脑功能划分的应用,并深入地分析了人脑功能划分中存在的挑战及未来的研究方向,以期对相关研究提供有益的参考.     

短时练习对序列运动脑功能偏侧化的影响

采用事件相关功能磁共振成像技术结合延迟序列运动任务, 观察了12名被试短时练习过程中随意运动脑激活模式和脑功能偏侧化的变化. 结果显示, 序列运动准备和执行任务都激活双侧运动区和后顶叶皮层, 脑功能轻度左侧化; 短时练习后上述脑区的激活体积减小, 而且右脑激活体积减小更为显著, 从而加大了脑功能左侧化.     

脑-肠肽的脑内功能

《脑-肠肽的脑内功能》就脑-肠肽在脑内的作用方式、脑-肠肽的脑内功能、血脑屏障与脑-肠肽的关系等内容作了介绍.脑-肠肽功能的研究目前正方兴未艾.全面阐明脑-肠肽的生理功能有助于深入认识机体正常调节系统,同时对临床许多疑难病症的发病机理的探讨有重要意义.     

大壁虎脑立体定位的方法与装置

壁虎具有卓越的三维空间无障碍运动能力, 其脚掌的黏附机制成为国内外生物物理研究的热点, 其运动规律成为非结构环境下机器人和生物机器人研究的良好模型. 为揭示大壁虎(Gekko gecko)脑内运动功能的时空编码规律, 首先对大壁虎的运动进行干预, 提出了一种大壁虎脑立体定位方法, 并根据大壁虎颅骨结构研制了相应的脑立体定位装置. 该装置与通用脑立体定位仪相匹配, 定位准确、操作简单, 适用于不同大小的成年大壁虎的脑部实验. 通过大壁虎脑图谱的初步制作、脑内核团的损毁以及脑内特异性运动核团的空间定位等诸多实验验证, 该装置能够满足大壁虎脑功能的研究需要.     

非鸣禽成体环鸽脑中的新生神经元

自1983年Goldman等在世界上首次报道鸣禽成体脑中的新生神经元现象后,对新生神经元在鸣禽成体脑中产生、迁移和分化机理的研究已经取得了很大进展.许多人推测金丝雀等鸣禽脑中新生神经元的产生与它们对鸣啭学习和记忆功能有关.目前世界上对鸟类神经元产生的研究基本局限于鸣禽类,还未见在非鸣禽成体脑中有神经元产生的正式报道.由于新生神经元在鸣禽脑中的分布并不局限在控制发声的神经核内,它表明鸣禽成体脑中神经元的产生可能具有更为复杂的功能,因而神经元产生的现象也可能在非鸣禽成体脑中存在.为检验这种推想,本实验选用端脑中无明显控制发声神经核的非鸣禽环鸽(Streptopeliarisoria),应用放射自显影/免疫组织化学双重标记方法证明新生神经元在非鸣禽成体脑中的存在及分布特征.     

人脑连接组研究:脑结构网络和脑功能网络

人脑是自然界中最复杂的系统之一,在这个系统中,多个神经元、神经元集群或者多个脑区相互连接成庞杂的结构网络,并通过相互作用完成脑的各种功能.近年来,结合基于图论的复杂网络理论,研究者们发现利用结构和扩散磁共振成像数据构建的脑结构网络以及利用脑电图/脑磁图数据和功能磁共振成像数据构建的脑功能网络具有很多重要的拓扑性质,如"小世界"属性、模块化的组织结构以及主要分布在联合皮层上的核心脑区(如楔前叶、额上回、额中回).另一方面,研究者发现许多神经精神疾病(如阿尔兹海默病和精神分裂症等)与脑结构和脑功能网络的异常的拓扑变化有关,这些研究不仅为理解神经精神疾病的病理机制提供了新视角,也可能为疾病的早期诊断和治疗评价提供脑网络影像学标记.本文以人脑结构和功能连接网络的研究为重点,介绍了人脑连接组和复杂网络理论的基本概念,并且回顾了近年来人脑结构和功能连接组的研究成果,并指出了该领域中存在的问题及未来的研究方向.     

侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

人脑功能连接组:方法学、发展轨线和行为关联

人脑内部功能连接的全体称为功能连接组,其功能复杂性表现在:(ⅰ)结构到功能的产生机制;(ⅱ)脑功能到心理行为的产生机制(心脑关联);(ⅲ)整个生命历程中的功能发展轨线.一直以来,神经科学家致力于揭示人脑功能在不同生命历程阶段的特征及其深层机制.上述问题的研究能够极大地改善对人脑功能的理解,改进长期以来必须依赖于动物脑功能模型的状况,为重大神经精神疾病的脑功能的病理生理机制研究提供正常参考(常模),进而有助于及时、准确地对其进行诊断、预警、干预和后期评价.但限于实验技术和计算方法,与脑功能有关的上述问题因极具挑战性而尚未被系统地展开研究;静息态功能磁共振技术的出现正在改变人脑功能的研究现状.本文综述基于静息态功能磁共振技术研究人脑功能连接组的计算方法及其重测信度、功能发展轨线应用、心理行为关联.     

数字加和任务时的脑内负激活研究

近年来, 负激活逐渐成为脑功能成像研究中的热点, 但数字加工中负激活现象尚未见报道. 本研究运用功能磁共振成像技术研究了15名健康被试在数字加和判别实验中的全脑负激活现象. 结果显示, 后扣带回及临近的楔前叶区域、前扣带回和前额叶区域都出现了负激活, 特别是两侧脑岛也出现了显著负激活. 结合这些区域所参与的相关认知功能, 探讨了它们对于维持静息状态下人脑认知活动所起的重要作用, 并发现脑岛参与了静息状态下从外界获取声音信息的活动.     

利用3D 激光扫描技术分析周口店直立人脑的不对称性

探讨早期人类脑不对称性的主要研究材料是古人类颅内模, 即从颅骨内表面得到的脑的外部形态. 由于受研究材料和方法的限制, 对脑不对称性的研究一般只局限在左右半球向前、向后突出的程度, 或者对脑的前部、后部宽度的对比上. 本文利用3D 激光扫描技术, 对距今40~80 万年前的周口店直立人脑的不对称性进行了研究, 通过与现代人颅内模对比, 显示周口店直立人和现代人在左右半球的绝对脑量和表面积上都没有表现出明显的不对称性,然而在脑量和表面积构成的相对脑量上表现出明显差异: 周口店直立人左右半球的相对脑量没有显著差异, 个体间差异较大; 现代人左半球的相对脑量明显大于右半球, 个体间变异范围较小. 提示在人类进化过程中脑的不对称性不是发生在左右半球的绝对脑量上, 而是起源于相对脑量的变化, 这种解剖结构的变化可能与脑一侧优势的演化过程相关.     

肠道菌群影响宿主行为的研究进展

肠道内定植了数量众多、种类丰富的肠道菌群,它们和宿主间形成了互利共生的关系,对宿主的健康产生着重大影响.近年来,随着对肠道菌群调控作用研究的不断深入,发现肠道菌群不仅调控肠道活动,还影响宿主的脑功能和行为.肠道菌群通过肠-脑轴调控宿主行为,而肠-脑轴是由免疫、神经内分泌和迷走神经途径构成的肠道和脑之间的交流系统.动物研究(无菌动物、肠道病原菌感染以及抗生素和益生菌处理动物)和临床观测结果表明,肠道菌群通过肠-脑轴对宿主的应激反应、焦虑、抑郁和认知功能产生重要影响.平衡的肠道菌群可以促进宿主的身心健康,而肠道菌群失调则可能引发肠-脑疾病(如肠易激综合征、炎性肠道疾病和肝性脑病)和中枢神经系统疾病(如多发性硬化症、阿尔兹海默症和自闭症等).深入了解肠道菌群对宿主行为的影响,有助于更好地理解肠易激综合征和多发性硬化症等的发病机理,并认识到调节和恢复正常肠道菌群的安全有效措施(补充益生菌)是治疗精神心理疾病的重要组成部分.     

跨学科开启头脑风暴 促进脑科学交叉与融合

<正>成为领跑者,就要有更多科研无人区的“探险家”.脑科学是自然科学领域重要的前沿学科,类脑技术已经成为当前国际科学研究的热点,被各国视为未来经济增长点和引领新科技发展的引擎.国家“十四五”规划明确提出重点布局脑科学与类脑研究等重大研究领域,国家科学技术部于2021年正式启动了“科技创新2030-脑科学与类脑研究”重大科技项目.为推动中国脑科学与类脑研究及在大湾区推动脑科学与类脑研究产学研融合示范,     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

孤独症儿童脑电与眼动追踪研究

孤独症谱系障碍(ASD)是一种复杂脑发育障碍,儿童时期是孤独症问题行为诊断和干预的关键时间窗.本研究基于脑电和眼动追踪来探索孤独症儿童和正常儿童的发展规律.实验1为脑电发展研究,共招募351名年龄范围为3~9岁的儿童(孤独症组:80名,健康对照组:271名),记录静息态脑电,通过Pwelch方法对儿童脑电进行相对功率谱分析,并建立线性模型探索年龄和诊断组别主效应.结果发现,随着年龄的增长,孤独症儿童慢波波段相对功率谱的发展趋势和正常组具有相似的下降趋势,但是在alpha波段,孤独症儿童的发展趋势与正常儿童存在着显著偏差.实验2为眼动注视模式研究,共招募了293儿童(孤独症组:104名,健康对照组:189名),以一岁作为间隔对孤独症儿童兴趣区域注视时间统计分析,发现孤独症儿童注视共同注意缺失,而更多注意视频材料中的背景和身体部分.经研究表明,脑电神经振荡活动和眼动注意特征可用于儿童发展的客观发育评价,并能揭示脑电特征和注视行为模式随年龄变化的规律,有助于孤独症儿童的早期识别.     

衰老的脑:一些有启发性和乐观的结果

自古以来,衰老就是人们关切的问题.但是,直到二十世纪人们的注意力才开始转向脑的衰老方面.脑在身体各个部分的衰老过程中起着关键作用,而体内发生的衰老过程反过来又影响脑的状态,因此,这是一种衰老循环.     

P300电位中p3b成分的脑电同步功能磁共振研究

采用脑电同步功能磁共振成像技术研究P300事件相关电位中与P3b成分相关的BOLD信号及其脑源定位. 11个受试者在1.5T功能磁共振扫描仪中进行一项Landot圆环作业, 测试过程中每隔4 s采用回波平面成像法对全脑进行一次扫描, 扫描时间为2 s, 扫描间歇2 s, 同时采用与功能磁共振扫描仪兼容的64导脑电采集系统记录受试者脑电信号, 并使用磁共振伪迹清除软件对信号去伪迹得到连续EEG波形. 另外, 设计了P300匹配滤波器检查每次靶刺激出现后的脑电信号段, 筛查出能够诱发产生P300波的靶刺激, 分析这些靶刺激发生前后的磁共振扫描图像序列, 建立磁共振统计参数图并进行校正, 最后完成多参数比较. 其中通过Random effects group方法发现双侧下顶叶和右上顶叶显著激活(P<0.001, 未校正). 研究表明以上区域是记忆比较P300任务中P3b成分的脑激活源, 它们参与这一任务的目标判断过程.     

小怀利·W·韦尔(1941-2012)

美国索尔克生物研究所的知名脑激素专家小怀利.W.韦尔(Wylie W.ValeJr.),长期从事肽类激素和生长因子的研究,他领导的索尔克研究小组发现了控制人体应激反应的脑激素,其挑战堪比攀登生物学领域的珠穆朗玛峰。由此,神经肽发现迅速成为一个全新的研究领域,至今方兴未艾。