腦-機接口（BCI）相關術語

連載(二)

昆明理工大學伏云發教授團隊

【導讀】為了方便腦機接口（Brain-computer interface，BCI）初學者、中級和高級研發者查閱或精準理解BCI相關術語，本章列出了BCI相關術語。第一節為前言，第2節列出了與BCI直接相關的術語，第3節列出了與BCI緊密相關的術語，后面的幾節分別列出了在BCI文獻中使用的若干術語，包括BCI用戶相關術語、實用BCI相關術語、用于BCI的腦神經電磁信號和腦組織血氧水平記錄相關術語、BCI相關腦結構與功能術語，以及BCI相關的其他術語。這種列舉方式是為了整理BCI相關術語的方便，不是絕對的，也不是標準，僅供參考，目的是為了方便查詢或理解BCI相關術語。

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第3節 BCI緊密相關術語

除了與BCI直接相關的術語外，我們總結了與BCI緊密相關的術語，以方便研發者查閱。本節圍繞主要的幾種BCI范式介紹緊密相關的術語，包括感覺運動節律腦-機接口（Sensorimotor Rhythms BCI，SMR-BCI）相關的術語、運動想象腦-機接口（Motor Imagery Based BCI，MI-BCI）相關的術語、基于認知的腦-機接口（Cognitive-Based Brain-Computer Interfaces）相關的術語、P300腦-機接口（P300-BCI）相關的術語、穩態視覺誘發電位腦-機接口（Steady-State Visual Evoked Potential based BCI，SSVEP-BCI）相關的術語、穩態聽覺誘發電位腦-機接口（Steady-State Auditory Evoked Potential based Brain-Computer Interface, SSAEP-BCI）相關的術語、穩態觸覺誘發電位腦-機接口（Steady-State Tactile Evoked Potential based Brain-Computer Interface, SSTEP -BCI）相關的術語、依賴性BCI（Dependent BCI）、獨立性BCI（Independent BCI）、混合腦-機接口（Hybrid Brain-Computer Interface, Hybrid BCI）、同步/異步腦機接口（Asynchronous/Synchronous brain-computer interface）相關的術語以及分布式腦機接口（Distributed Brain-Computer Interface, Distributed BCI）。

3.1 感覺運動節律腦-機接口（SMR-BCI）

感覺運動節律（Sensorimotor Rhythms, SMR）是與感覺運動皮層相關的腦電活動，通常為α（8-12 Hz）和β（13-30 Hz）頻段的電活動[300]。感覺運動節律（SMR）有多種誘發方式，可以通過實際運動、運動想象、嘗試運動、甚至是觀察他人運動（即鏡像神經元系統）來誘發或調節。感覺運動節律腦-機接口（SMR-BCI）是一類基于SMR的BCI，可以包括多種形式的BCI[300] [301]。

1）運動想象BCI（MI-BCI）。主要利用運動想象引發的ERD/ERS進行控制，是SMR-BCI的一種。

2）嘗試運動BCI。利用嘗試運動引發的SMR變化。

3）觀察運動BCI。利用觀察運動引發的SMR變化。

由上可見，SMR-BCI的范疇更為廣泛，還包括其他形式的BCI，不局限于運動想象BCI，MI-BCI主要利用事件相關去同步/同步（ERD/ERS）。ERD/ERS是大腦在特定事件或刺激下表現出的節律活動變化，通常與SMR相關，但不局限于SMR。例如，當個體進行運動想象（Motor Imagery, MI）或實際運動時，特定的感覺運動節律（如α或β波）會出現去同步化（ERD）或同步化（ERS）現象，即SMR活動的減少或增強。因此，ERD/ERS可以被視為SMR活動的一個表現形式。

3.1.1 嘗試運動BCI（Attempted Movement based BCI）

1）嘗試運動

嘗試運動是指個體試圖執行某個運動，但由于某些原因（如神經系統的損傷、肌肉癱瘓等），實際的運動并沒有發生。盡管沒有產生實際的運動，嘗試運動仍然可以激活與該運動相關的腦區，如初級運動皮層，相關的SMR仍可能出現變化[303]。

嘗試運動通常用于研究運動控制的神經機制，特別是在運動障礙或康復領域。它在BCI系統中有著重要的應用，如為那些不能移動肢體的患者提供控制外部設備的途徑[302]。

2）嘗試運動BCI

嘗試運動BCI是一種基于在嘗試運動時大腦產生的神經信號的BCI系統。即使由于身體殘疾或神經損傷導致實際運動無法發生，嘗試運動仍能引發與嘗試運動相關的腦電活動。這些神經信號可以通過BCI系統進行解碼，并用于控制外部設備，如輪椅、機械臂或計算機[302]。

這種BCI對于四肢癱瘓或其他嚴重運動障礙的患者尤為重要，因為它提供了通過大腦信號而非實際肢體動作來與外界互動的途徑。

3.1.2 觀察運動BCI（Movement Observation/Action Observation）

1）觀察運動（Observation of Movement）

觀察運動是個體觀看他人執行某種動作的過程，在觀察運動期間會激活個體的運動相關腦區或神經網絡。在觀察他人運動時，大腦中的“鏡像神經元系統”會被激活[304]，這一系統包括與實際運動相關的神經元，表明觀察他人運動與自己執行該運動在神經活動上具有相似性。觀察運動會引起個體的SMR發生變化。

2）觀察運動BCI

觀察運動BCI是一種基于觀察他人運動時產生的神經活動的BCI系統。在此系統中，用戶通過觀察他人的動作，所產生的腦電信號被解碼并用于控制外部設備。這類BCI利用了大腦在觀察運動時激活的運動相關區域，為那些無法執行實際運動的人提供了新的交互方式[305]。

3.2 運動想象腦-機接口（MI-BCI）相關術語

為理解MI-BCI，下面介紹與MI-BCI相關的術語，主要包括身體運動（Body Movement）、運動想象（Motor Imagery, MI）、運動想象腦-機接口（MI-BCI）、感覺運動節律（Sensorimotor Rhythms, SMR）、事件相關去同步/同步（Event-Related Desynchronization/ Synchronization, ERD/ERS）和運動相關皮層電位（Motor/Movement-Related Cortical Potentials，MRCPs）。

3.2.1 神經事件（Neural Event，NE）

神經事件（NE）是指在大腦中發生的與特定心理活動或外部刺激相關的瞬時或短時的電生理變化。NE通常由特定的實驗范式誘發，涉及在神經元或神經元群體水平上發生的電生理活動或其他神經活動，可以在時間和空間上進行詳細的測量與表征。

對于特定的范式誘發，在神經科學實驗中，研究人員常常采用已設計好的或自己創新設計的實驗范式來誘發特定的神經事件，例如事件相關電位（ERP）實驗。為在時間和空間上測量與表征神經事件，可以確定它們發生的具體時間（時間分辨率）和大腦中的具體位置（空間分辨率）。文獻[152-153]提供了有關神經事件的信息。

下面的身體運動、運動想象、視覺刺激、聽覺刺激和觸覺刺激是特定的神經事件，這些事件作用于大腦，誘發特定的神經活動。

3.2.2 身體運動（Body Movement）

身體運動是指人體通過骨骼肌的收縮和放松來實現的各種動作和活動。這些運動可以包括大范圍的身體活動，從行走和跑步到更精細的手部動作[32]。身體運動主要有肢體運動（Limb Movement）、頭部和頸部運動（Head and Neck Movement）、軀干運動（Trunk Movement）以及舌部和口部運動（Tongue and Oral Movement）等，如表2所示。

表2 主要的身體運動

肢體運動與身體運動有區別，肢體運動是身體運動的一部分，專指四肢（手臂和腿部）的運動，而身體運動是一個更廣泛的概念，涵蓋了包括肢體在內的所有身體部位的運動。身體運動中的舌部運動在言語、進食和吞咽等方面起到重要作用。通過以上介紹，可以更清晰地理解不同類型的身體運動及其在神經科學和康復中的重要性。

3.2.3 運動想象（MI）

以上身體運動是實際運動。運動想象（MI）是指在沒有實際進行身體運動的情況下，通過大腦內部的想象活動，模擬自己正在進行某種運動或動作的過程。在MI過程中，大腦的運動皮層和相關區域會被激活，類似于實際執行運動時的神經活動[31] [33]。因此，運動想象被廣泛用于增強運動技能的訓練、幫助運動損傷后的康復[34]，以及在BCI中作為一種控制信號源[35]。

3.2.4 運動想象腦-機接口（MI-BCI）

MI-BCI是BCI的一種類型，不依賴用戶實際的肌肉活動，通過分析與用戶運動想象（MI）（如想象手部或腳部運動等）相關的大腦活動信號（如腦電和腦磁等）特征，如特定頻帶功率的變化[35]（μ波（8-13 Hz）和β波（13-30 Hz）事件相關去同步/同步和運動相關電位（Motor-Related Potentials，MRPs）[154]），以識別用戶的運動想象類型以實現與計算機或外部設備的通信和控制[35] [36]。

MI-BCI系統的工作原理基于以下幾點。

（1）運動想象。要求用戶在不進行實際運動的情況下，想象特定的肢體動作（如手臂抬起或腳部移動等）。

（2）神經響應。運動想象會在大腦的運動皮層區域（如初級運動皮層或輔助運動區）產生類似于實際運動的神經活動，引起EEG信號中的ERD/ERS現象。

（3）信號提取。利用EEG設備記錄這些想象引發的腦電活動，特別分析μ頻帶（8-13 Hz）和β頻帶（13-30 Hz）的頻譜變化。

（4）特征提取。可采用頻域分析、時-頻分析或空間濾波等方法，從EEG信號中提取ERD/ERS特征。

（5）分類與控制。通過機器學習算法或模式識別方法，將提取的特征分類為不同的運動想象類別，并將其轉化為控制命令。

（6）反饋。提供實時的視覺、聽覺或觸覺反饋，幫助用戶調整其運動想象策略，從而提高系統的性能。

MI-BCI系統的設計與實現步驟可參考如下五個方面。

（1）任務設計。為用戶設計明確的運動想象任務（如左右手運動想象），并提供相應的指令和練習，以確保大腦產生穩定的ERD/ERS響應。

（2）EEG信號采集。利用EEG設備采集大腦的電活動，通常在運動皮層區域（如C3、C4電極位置）記錄信號。

（3）信號處理與特征提取。對原始EEG信號進行預處理，如濾波和去偽跡等，然后提取ERD/ERS相關的特征。

（4）分類與控制。利用線性判別分析（LDA）、支持向量機（SVM）或深度學習模型等分類算法，將運動想象信號映射到預設的指令或操作。

（5）反饋機制。通過視覺、聽覺或觸覺等方式向用戶提供實時或即時反饋，幫助其調整運動想象策略。

文獻[35] [37-38]詳細討論了MI-BCI的原理、設計與實現方法，以及在實際應用中的挑戰和可能的解決方案。

3.2.5 感覺運動節律（SMR）

SMR是指大腦感覺運動皮層區域的特定頻率范圍內的電活動，主要包括μ節律（8-13 Hz）和β節律（13-30 Hz）。這些節律與感覺運動活動、運動準備、運動執行以及運動想象等過程密切相關。

其中μ節律是一種在安靜狀態下，特別是在運動抑制和運動想象期間觀察到的8-13 Hz的腦電節律。這種節律通常在中央區（C3和C4區域）最為明顯。μ節律在運動或運動想象期間會被抑制，這種現象被稱為μ節律去同步（Mu Suppression），去同步程度可以反映運動準備和執行的活躍程度[39]。

其中β節律是一種頻率在13-30 Hz之間的腦電節律，通常與運動準備和運動執行過程中的認知活動相關。在運動準備和運動執行期間，β節律可能會出現增強或抑制（同步/去同步）。β節律的變化可以反映運動控制和協調的程度[40]。

感覺運動節律，特別是μ節律和β節律被廣泛用于BCI系統中，作為用戶意圖識別和設備控制的信號源，如利用μ節律去同步控制光標和假肢等[41]。μ節律還可以用于幫助中風、脊髓損傷等患者進行神經康復訓練，如利用運動想象結合感覺運動節律訓練，促進大腦功能重塑和運動功能恢復[9]。

3.2.6 事件相關去同步/同步（ERD/ERS）

（1）事件相關去同步（ERD）

ERD是指在特定事件（event）或任務（如實際運動或想象運動等）期間引起的大腦電活動中，特定頻帶（通常是α和β頻帶等）的功率與基線狀態相應頻帶的功率相比，呈現出減弱的去同步現象或狀態。ERD通常與大腦區域的活躍性增強相關，例如執行運動或認知任務期間[42]。

（2）事件相關同步（ERS）

ERS是指在特定事件（event）或任務（如實際運動或想象運動等）期間引起的大腦電活動中，特定頻帶（通常是α和β頻帶等）的功率與基線狀態相應頻帶的功率相比，呈現出增強的同步現象或狀態。ERS通常反映了在執行任務或加工信息過程中大腦區域的協調性增強[40]。在某些情況下，ERS也可能與大腦區域的活躍性抑制相關。

需要補充說明的是，ERD和ERS分別反映了大腦不同狀態下的電活動變化。當大腦區域變得活躍時，特別是在運動或認知任務期間，神經元的活動會導致頻帶（如α和β頻帶）的去同步化，即發生ERD現象，表明這些區域正在進行信息處理[43]。與ERD現象相比，ERS現象通常發生在任務完成或某些特定認知狀態下，反映了大腦區域的重新同步化，這可能表示這些區域正在恢復基線狀態或反映了某些區域之間的協調活動增強[44]。Pfurtscheller等人[XX] 研究了手部運動相關的μ節律去同步化，發現運動任務會導致μ節律顯著去同步化。Neuper等人[XX]詳細探討了不同頻帶的事件相關同步化和去同步化的特征及其功能相關性。

可由式（1）計算ERD/ERS，式中A為特定事件或任務期間的α或β頻帶功率，R為特定事件或任務前基線期間相應頻帶功率，“/”表示或的關系。

在BCI研發中，ERD和ERS作為EEG信號特征被廣泛用于識別意圖和提取控制信號，特別是在MI-BCI中。在神經科學研究中，ERD和ERS提供了對大腦功能活動的動態理解，對于認知神經科學和運動控制等領域的研究具有重要意義。在臨床應用中，通過分析ERD和ERS可以幫助評估神經系統功能狀態，以及設計個性化的神經反饋治療方案。

文獻[40]和[42]提供了對ERD和ERS基本原理的深入探討，有助于理解這些現象在BCI研發、神經科學研究和臨床應用中的重要性和應用價值。

3.2.7 運動相關皮層電位（MRCPs）

MRCPs 是指在自愿運動任務準備和執行過程中，由大腦皮層產生的一系列特定的電活動。這些電位包括準備電位（Bereitschaftspotential, BP）、運動執行電位（Motor Execution Potential, MEP）以及運動后電位（Post-Movement Potentials，PMP）。

（1）準備電位（BP）

BP是在自愿運動（Voluntary movements）開始前數百毫秒在額葉和運動皮層記錄到的逐漸增加的緩慢負電位變化，反映了大腦為即將進行的運動做準備的過程，主要出現在中央區（Cz）和對側運動區[45]。BP可以進一步分為早期成分（BP1）和晚期成分（BP2），BP1反映了運動準備的初始階段，而BP2反映了具體運動計劃的形成[46]。

（2）初級運動電位（Primary Motor Potential, PMP）

PMP通常是指在運動開始瞬間出現的短暫負電位，通常在運動皮層和初級運動區觀察到，與實際運動的執行直接相關[47]。這種電位變化標志著運動指令的初步生成和傳遞，反映了運動神經元的早期活動。PMP與運動啟動的早期階段直接相關，主要關注大腦如何生成并開始執行運動指令，其研究通常集中在運動指令的準備和最初傳遞階段[47]。

（3）運動執行電位（MEP）

MEP是指在實際運動開始時或運動執行過程中記錄到的電位變化，通常表現為負電位，這些電位反映了運動執行過程中大腦的持續神經活動。MEP通常與實際的運動執行階段相關，反映了神經系統如何在運動的實際發生時保持并調控運動指令。MEP更多關注在運動執行階段的大腦活動，尤其是如何實現和維持精確運動[45]。

PMP和MEP并不是完全相同的概念，但在一些研究背景中，它們可能會有重疊。PMP可以被視為MEP的一部分，尤其是在研究運動啟動的早期階段時。但在嚴格的定義下，它們反映了運動過程中不同的時間點和神經活動階段。PMP 更偏向于運動準備和啟動階段的初始電位活動，通常描述的是運動指令生成的早期過程。MEP 則更偏向于運動實際執行過程中的神經活動，描述的是運動指令在執行階段的電位變化。

（4）運動后電位（PMP）

PMP是在運動結束后出現的電位變化，通常表現為正電位，這些電位反映了運動執行后的神經反饋和修正過程[48]。

MRCPs在神經科學和BCI研究中具有重要意義，因為它們可以揭示運動準備和執行的神經機制。MRCPs的分析可以幫助我們理解大腦如何計劃和執行運動，如何進行運動控制和反饋調整。文獻[45] [46] [48]為MRCPs的定義和研究提供了理論基礎和實驗依據。

除了MRCPs，在BCI文獻中也會出現運動相關電位（Motor/Movement-Related Potentials, MRPs）。運動相關電位 (MRPs) 和 運動相關皮層電位 (MRCPs) 在具體應用和研究重點上有一些細微的差別。MRPs泛指所有與運動相關的電活動，包括運動準備、計劃、執行和反饋等過程，這一術語可以涵蓋從大腦皮層到脊髓的各種電活動。在研究中，MRPs可以用于描述從大腦皮層到肌肉之間的任何運動相關的神經電活動。MRCPs專門指由大腦皮層記錄到的與運動相關的電活動，特別用于描述大腦皮層在運動任務準備和執行期間的電活動。

MRPs也被廣泛應用于BCI中，作為解碼運動意圖和控制信號的關鍵特征。在運動神經科學中MRPs有助于理解運動準備、計劃和執行的神經機制。在康復治療中MRPs的分析可以用于評估運動功能和設計康復訓練方案，特別是在中風和運動障礙患者的康復中。

運動相關電位（MRPs）/運動相關皮層電位（MRCPs）通常由腦電圖（EEG）從大腦皮層記錄的，特別是在與運動功能相關的皮層區域，如初級運動皮層（Primary Motor Cortex, M1）、前運動區（Premotor Cortex）、輔助運動區（Supplementary Motor Area, SMA），以及運動相關的頂葉和前額葉區域。這些腦區的位置和作用如表3所示。文獻[45] [49-50]可以幫助深入理解 MRPs/ MRCPs 的記錄部位及其與大腦運動功能區域的關系。

表3記錄MRPs/ MRCPs的腦區位置和作用

3.3 基于認知的腦-機接口（Cognitive-Based Brain-Computer Interfaces）

基于認知的腦-機接口（Cognitive-Based BCI）是一種利用與認知過程相關的腦信號來控制外部設備的技術。這種BCI系統依賴于用戶的注意力、記憶、決策、語言處理等高級腦功能。基于認知的BCI可以解碼復雜的認知活動，用于意念交流、控制計算機、輔助認知訓練和康復，在醫療康復、增強現實和人機交互領域有廣泛的應用前景[269]。

基于認知的腦-機接口涉及的主要腦區如下[270]。

1）前額葉皮層（Prefrontal Cortex）。與決策、計劃、工作記憶和執行功能有關。

2）頂葉皮層（Parietal Cortex）。參與空間注意、感知和處理感覺信息。

3）顳葉皮層（Temporal Cortex）。與語言處理、聽覺和視覺記憶有關。

4）海馬體（Hippocampus）。在記憶形成與檢索中起關鍵作用。

與特定認知事件相關的腦電活動變化（事件相關電位），常用于認知BCI的信號提取。注意力解碼（Attention Decoding）可用于控制BCI系統。在任務執行中保持和操作信息的認知過程（工作記憶）常與BCI任務結合。此外，P300常用于基于注意力的BCI系統。

3.3.1認知（Cognition）

認知是大腦通過感知、記憶、推理、決策等過程來獲取、處理、存儲和利用信息的能力，包括意識、注意、學習、記憶、判斷、問題求解和語言等多種心理功能[271]。

在基于認知的BCI系統中，認知過程的監測和解碼是關鍵，可通過識別用戶的認知狀態（如注意力、工作記憶負荷和情感狀態等）來實現更為智能和自適應的交互。這些系統有可能用于提升學習效率、情緒調節，以及在殘障人士的輔助設備中實現更自然的控制[6] [29]。

3.3.2 認知過程（Cognitive Processes）

認知過程是指大腦進行信息加工的一系列步驟，包括感知（perception）、注意（attention）、記憶（memory）、語言（language）、推理（reasoning）和決策（decision-making）等。這些過程構成了個體理解、學習和互動的基礎[272]。

在基于認知的BCI系統中，認知過程的精確解碼可能有多種潛在應用，例如通過檢測用戶的注意力水平來優化學習環境，或通過識別決策過程中的腦活動模式來控制外部設備。這些應用拓展了BCI在教育、醫療、娛樂等領域的潛力[273]。

3.3.3 BCI誤差檢測原理

在BCI系統中，誤差檢測（Error Detection）是通過監測用戶在執行任務時對自身錯誤的感知來提取相關腦信號。這些信號通常表現為與認知沖突、錯誤意識或決策不確定性相關的事件相關電位（ERPs），即錯誤相關電位（Error-related potentials，ErrPs），包括錯誤相關負波（Error-Related Negativity, ERN）和錯誤相關正波（Error-Related Positivity, Pe）[ED01]。文獻[274-275]提供了錯誤相關電位（Error-related potentials，ErrPs）在BCI中的應用。

3.3.3.1 錯誤相關電位（Error-related potentials，ErrPs）

錯誤相關電位（ErrPs）是一類與錯誤意識或認知沖突相關的事件相關電位（ERPs），在個體意識到自己的行為或決策錯誤時，在大腦中產生的電活動。主要包括錯誤相關負波（ERN）和錯誤相關正波（Pe）。這些電位通常在額葉皮層（特別是前扣帶皮層）出現，用于反映大腦對錯誤的快速反應和處理[274-275]。（要是能夠插入錯誤相關電位的波形圖展示，并高度概括闡述在BCI系統中如何利用ErrPs提高系統性能）

1）錯誤相關負波（ERN）

當用戶意識到自己犯錯時，在額葉皮層（如前扣帶皮層）產生的快速電位變化。通常在錯誤發生后50-100毫秒內出現。

2）錯誤相關正波（Pe）

與錯誤意識的后續處理相關，通常在ERN之后出現。

3.3.3.2 BCI誤差檢測原理應用

1）實時錯誤檢測與反饋

ErrPs，特別是ERN和Pe，可用于實時檢測用戶在使用BCI系統時的錯誤操作，并自動糾正系統錯誤，或為用戶提供即時反饋，幫助他們調整操作策略。基于ErrPs有可能為BCI系統建立數學模型，對BCI系統進行分析和設計[276]。

2）個性化用戶訓練

在BCI訓練過程中，ErrPs信號可用于監測用戶的學習進展，提供反饋和個性化的訓練方案，幫助用戶更快地學習和適應BCI系統，通過反復練習減少錯誤，逐步提高操作的熟練度[277]。

3）閉環調節以提高BCI系統的準確性

可把ErrPs集成到閉環BCI系統中，以識別用戶何時意識到錯誤，實時調整BCI系統的參數，如優化信號處理和決策算法，減少誤操作，提高系統的準確性和響應速度。例如，當檢測到用戶意識到錯誤時，系統可以重新校準信號或調整任務難度。

4）增強用戶體驗

通過實時識別和糾正用戶錯誤，減少誤操作，提高用戶對系統的控制感和滿意度。

3.4 P300腦-機接口（P300-BCI）相關術語

3.4.1 反常范式/奇異刺激范式（Oddball Paradigm）

Oddball范式是一種經典的實驗范式，廣泛應用于實驗心理學和認知神經科學領域。它主要用于研究人類對反常/奇異刺激的注意力反應和信息加工過程。在這種范式中，受試者通常會被呈現一系列的刺激，其中大多數是“標準”刺激，而少數是“反常”或“奇異”刺激（也稱為“目標/靶（Target）”刺激）。

Oddball范式的原理是，由于反常/奇異刺激（出現概率較小的刺激）在頻繁的標準刺激（出現概率較大的刺激）中較少出現，它能夠引發強烈的注意力集中和顯著的神經反應，如P300波。

在Oddball范式的設計中，標準刺激與反常/目標刺激的比例通常遵循：標準刺激出現的概率一般占 80% 左右，反常或目標刺激一般占 20% 左右。這個比例并不是絕對固定的，具體的比例可以根據實驗設計的需要進行調整。然而，標準刺激通常占多數，而目標刺激則相對較少，以便產生“反常”效應，從而引發顯著的注意力反應和相關的腦電活動（如P300成分）。

在Oddball范式實驗中，受試者通常被要求識別或對反常刺激做出反應。P300-BCI常用此范式，利用反常刺激誘發P300反應來進行信號解碼。有關Oddball范式的定義、原理、實驗設計和實現方法可參考文獻 [76-77]。

BCI范式的創新設計是BCI研發的關鍵和重要內容之一，如何創新設計BCI范式？其中一個可行或有效方法是借鑒實驗心理學的經典和最新實驗范式。實驗心理學中的范式涉及認知、感知、記憶和注意力等方面，主要有Go/No-Go Paradigm （執行/抑制范式）[78-79]、Stop-Signal Paradigm （停止-信號范式）[80]、N-Back Paradigm （N-返/回溯任務范式）[81]、Stroop Paradigm（斯特魯普效應/顏色命名-詞匯干擾范式）[82]、Simon Paradigm（西蒙效應/空間一致性任務）[83]、Flanker Paradigm（側翼抑制干擾任務范式 ）[84]、Posner Cueing Paradigm（Posner注意線索范式）[85]、Dual-Task Paradigm（雙重任務范式）[86]和Memory Span Paradigm（記憶跨度/范圍范式）[87]等。表4給出了這些實驗范式的簡要說明和可能用于BCI。

表4 實驗心理學中的一些范式

上表4中的實驗心理學范式為BCI范式的創新提供了豐富的設計思路。在設計新的BCI系統時，可以根據具體的應用場景選擇合適的實驗范式，并將其與BCI技術相結合，開發出功能強大且用戶友好的BCI系統。

3.4.2 P300

P300是一種事件相關電位（ERP）[54]，通常在特定認知任務/事件中作為對刺激反應的潛伏期成分出現。P300成分通常在目標刺激后約300毫秒處達到峰值[88]，因此得名P300[76]。P300主要與注意力分配和工作記憶更新過程有關。

P300的產生與大腦對目標刺激（通常為反常/奇異的刺激）的注意力加工和認知評估過程密切相關。當個體在一系列刺激中檢測到與預期不符的反常目標刺激時，大腦會產生P300成分[88]。其振幅通常反映了個體對刺激的認知資源分配量，而潛伏期則與信息加工速度相關。

最常用的誘發P300的范式是Oddball范式[89]。在該范式中，受試者需要區分兩種不同頻率出現的刺激，其中一種刺激（標準刺激）出現頻率較高，另一種（目標刺激）出現頻率較低。當出現目標刺激時，個體的注意力被調動，從而產生P300成分。

除此而外，Go/No-Go范式要求受試者對某些刺激作出反應（Go刺激），而對其他刺激則不作反應（No-Go刺激）[78]。當受試者成功抑制了對No-Go刺激的反應時，P300會隨之產生。另外，Two-Choice Discrimination Tasks（二選一辨別任務）要求受試者對呈現的刺激進行辨別和分類，并選擇相應的反應方式，此過程中，目標刺激會引發P300。

對于P300，可通過以下步驟實現記錄

（1）實驗設計。選擇適合的P300誘發范式（如Oddball范式），并確定標準和目標刺激的類型（可以是視覺、聽覺或觸覺刺激等）、頻率和呈現順序。

（2）設備準備。使用高密度電極帽（如EEG）記錄大腦電活動。通常，電極放置在頭皮的中央頂區（如Cz、Pz等）區域，以便捕捉到P300的最大振幅。

（3）數據收集。在實驗過程中，要求受試者注視計算機屏幕上的刺激或聆聽音頻刺激等，同時EEG系統實時記錄大腦反應。

（4）數據分析。為提取事件相關電位（ERP），由鎖時目標刺激的出現，計算在刺激后300毫秒附近的電位變化，即P300。

3.4.3 P300腦-機接口（P300-BCI）

基于P300的BCI（P300-BCI）是一種利用大腦產生的P300事件相關電位（ERP）來實現人腦與外部設備之間直接通信的系統[90]。P300-BCI通常通過檢測用戶對特定刺激的注意力反應，來識別用戶的意圖，并將其轉化為設備的控制信號[76]。

P300-BCI的核心原理（科學原理/神經科學原理）是利用P300事件相關電位，通常通過Oddball范式等經典實驗設計誘發[89]。當用戶在一系列快速呈現的刺激中識別出目標刺激時，P300電位會在刺激出現后約300毫秒達到峰值[88]。P300-BCI系統通過監測這一電位變化來解碼用戶的選擇。

P300-BCI系統的實現可以通過以下步驟[76]。

（1）界面設計。

P300-BCI的界面通常由一個網格狀布局的字符或圖標組成，例如用于拼寫的字符表（如P300 Speller）。每個字符或圖標以不同的頻率隨機閃爍。

（2）刺激呈現。

系統依次以特定頻率閃爍字符或圖標。目標刺激和非目標刺激交替出現，要求用戶集中注意力在目標刺激上。每當目標字符或圖標閃爍時，大腦會產生P300電位。（操控BCI，要求用戶主動集中注意力在目標刺激上，不是被動接收刺激）

（3）數據采集。

可通過頭皮電極記錄EEG信號，在頂葉和中央頂葉區域（如Cz、Pz）可以捕捉P300的最大振幅。（可采用通道選擇算法尋找P300最大振幅的通道）

（4）數據處理。

包括信號預處理、特征提取和分類器訓練與預測。首先對腦信號進行預處理，例如，對EEG信號濾波和去噪，并標記與刺激事件相對應的時間窗口。然后提取特征，從預處理后的信號中提取與目標刺激相關的P300成分，如采用主成分分析（PCA）或獨立成分分析（ICA）等方法。最后，訓練分類器并預測，采用分類算法（如支持向量機SVM、線性判別分析LDA等）訓練模型，以區分目標和非目標刺激的P300反應。訓練后的模型用于實時預測用戶的選擇。（BCI的數學模型主要體現在這一部分）

（5）輸出與控制。

基于分類器的輸出，P300-BCI系統實時識別用戶的意圖，將其轉化為實際操作（如選擇字符、控制設備），并實時反饋給受試者或用戶，受試者根據操作結果修正所選的目標刺激。（閉環BCI系統的數學模型包括實時在線神經反饋環節；在BCI系統中，受試者接收在線反饋并主動調節心理策略，如改變運動想象方式，重新選擇刺激目標等。）

P300-BCI具有潛在的應用，尤其可用于殘障人士的輔助設備中，如通過P300 Speller實現腦控文字輸入。

注：由于第3節內容比較多，因此第3節內容分兩次發布。

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