腦-機(jī)接口（BCI）相關(guān)術(shù)語

連載(八)

昆明理工大學(xué)伏云發(fā)教授團(tuán)隊(duì)

【導(dǎo)讀】為了方便腦機(jī)接口（Brain-computer interface，BCI）初學(xué)者、中級(jí)和高級(jí)研發(fā)者查閱或精準(zhǔn)理解BCI相關(guān)術(shù)語，本章列出了BCI相關(guān)術(shù)語。第1節(jié)為前言，第2節(jié)列出了與BCI直接相關(guān)的術(shù)語，第3節(jié)列出了與BCI緊密相關(guān)的術(shù)語，后面的幾節(jié)分別列出了在BCI文獻(xiàn)中使用的若干術(shù)語，包括BCI用戶相關(guān)術(shù)語、實(shí)用BCI相關(guān)術(shù)語、用于BCI的腦神經(jīng)電磁信號(hào)和腦組織血氧水平記錄相關(guān)術(shù)語、BCI相關(guān)腦結(jié)構(gòu)與功能術(shù)語，以及BCI相關(guān)的其他術(shù)語。這種列舉方式是為了整理BCI相關(guān)術(shù)語的方便，不是絕對(duì)的，也不是標(biāo)準(zhǔn)，僅供參考，目的是為了方便查詢或理解BCI相關(guān)術(shù)語。

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1.1-2.15節(jié)請(qǐng)看

3.1 -3.4節(jié)請(qǐng)看

3.5-3.12節(jié)請(qǐng)看

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第6節(jié) 用于BCI的腦神經(jīng)電磁信號(hào)記錄相關(guān)術(shù)語

本節(jié)列出了用于BCI的腦神經(jīng)電磁信號(hào)記錄相關(guān)術(shù)語，包括腦信號(hào)時(shí)間分辨率（Temporal resolution）、腦信號(hào)空間分辨率（Spatial resolution）、腦信號(hào)偽跡（Artifacts in Brain Signals）、腦信號(hào)信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）、腦信號(hào)靈敏度、腦神經(jīng)元電磁信號(hào)、頭皮腦電（EEG）、皮層腦電（ECoG）、ECoG網(wǎng)格、微電極陣列（Microelectrode Array, MEA）、神經(jīng)元發(fā)放（NF）、尖峰（Spikes）、局部場(chǎng)電位(LFPS)、腦信號(hào)功率譜（Power Spectrum of Brain Signals）和腦磁（MEG）。

6.1 腦信號(hào)時(shí)間分辨率（Temporal resolution）

腦信號(hào)時(shí)間分辨率是指腦成像或記錄技術(shù)在時(shí)間上分辨出神經(jīng)活動(dòng)變化的能力，通常以毫秒（ms）為單位。它描述了能夠捕捉大腦中快速變化的神經(jīng)活動(dòng)的最小時(shí)間間隔。在BCI中，時(shí)間分辨率至關(guān)重要，因?yàn)楦邥r(shí)間分辨率有助于實(shí)時(shí)捕捉大腦的神經(jīng)活動(dòng)，從而提高BCI系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。有效的時(shí)間分辨率能夠使BCI系統(tǒng)更好地同步用戶的意圖與系統(tǒng)的輸出，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性和用戶體驗(yàn)。關(guān)于腦信號(hào)時(shí)間分辨率的一些信息可以參考文獻(xiàn)[178-179]。

6.2 腦信號(hào)空間分辨率（Spatial resolution）

腦信號(hào)空間分辨率是指腦成像或記錄技術(shù)在空間上區(qū)分不同腦區(qū)活動(dòng)的能力，通常以毫米（mm）為單位。它描述了能夠在大腦中識(shí)別和分離出彼此鄰近的神經(jīng)活動(dòng)的最小距離。較高的空間分辨率意味著能夠更精確地定位和分析大腦特定區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)。這一特性在BCI中至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懥藦拇竽X中提取的信號(hào)的精度與可靠性。較高空間分辨率的腦信號(hào)可以幫助BCI系統(tǒng)更準(zhǔn)確地解碼用戶的意圖，提高系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。關(guān)于腦信號(hào)空間分辨率的一些信息可以參考文獻(xiàn) [178] [180]。

6.3 腦信號(hào)偽跡（Artifacts in Brain Signals）

腦信號(hào)偽跡是指在采集腦信號(hào)（如EEG、fNIRS、fMRI和MEG等）過程中，來自非神經(jīng)源性來源的干擾信號(hào)。這些偽跡通常來源于眼動(dòng)、肌肉活動(dòng)、心跳、呼吸等生理活動(dòng)，以及環(huán)境噪聲、設(shè)備誤差等非生理因素。偽跡的存在會(huì)顯著影響B(tài)CI系統(tǒng)的性能，降低信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性，導(dǎo)致分類器性能下降和用戶體驗(yàn)不佳。偽跡對(duì)BCI系統(tǒng)性能的主要影響如下：

1）污染有用信號(hào)。偽跡會(huì)混淆真實(shí)的神經(jīng)信號(hào)，較低信噪比，導(dǎo)致信號(hào)處理算法無法準(zhǔn)確識(shí)別用戶意圖。

2）降低分類正確率。由于偽跡的干擾，BCI系統(tǒng)的分類器可能無法正確區(qū)分不同的腦狀態(tài)，增加誤判率。

3）導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲。偽跡的存在可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)的延遲或誤響應(yīng)，影響B(tài)CI系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和用戶控制體驗(yàn)。

剔除腦信號(hào)偽跡的方法包括但不限于：

1）空間濾波法。如獨(dú)立成分分析（Independent Component Analysis, ICA），通過分離源信號(hào)來去除偽跡。

2）時(shí)頻分析法。如小波變換，可以在時(shí)頻域識(shí)別并去除偽跡。

3）模板匹配法。根據(jù)已知偽跡的特征（如眼動(dòng)或肌電偽跡特征），進(jìn)行匹配識(shí)別并剔除。

4）信號(hào)預(yù)處理。如帶通濾波器，過濾掉特定頻段的偽跡。

文獻(xiàn)[285-286]中提供了有關(guān)腦信號(hào)偽跡的信息。

6.4 腦信號(hào)信噪比（SNR）

信噪比（SNR）是信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)于背景噪聲的比值。在BCI系統(tǒng)中，SNR是衡量從大腦電活動(dòng)中提取有用信號(hào)的關(guān)鍵指標(biāo)，較高的SNR是準(zhǔn)確解碼腦信號(hào)的基礎(chǔ)[181]。低SNR會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤分類、延遲響應(yīng)或系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而影響B(tài)CI的性能和用戶體驗(yàn)。因此，優(yōu)化和提高 SNR 是設(shè)計(jì)和改進(jìn) BCI 系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

6.5 腦信號(hào)靈敏度

腦信號(hào)靈敏度是指腦成像技術(shù)或BCI系統(tǒng)檢測(cè)和區(qū)分大腦活動(dòng)微小變化的能力。腦成像技術(shù)的靈敏度與時(shí)間分辨率和空間分辨率之間存在一定的關(guān)系，它們共同影響了腦成像技術(shù)的整體性能。它們之間的關(guān)系如下：

1）靈敏度與時(shí)間分辨率

如前所述，時(shí)間分辨率是指腦成像技術(shù)檢測(cè)腦活動(dòng)隨時(shí)間變化的精細(xì)程度。較高的時(shí)間分辨率意味著能夠更準(zhǔn)確地捕捉快速的腦活動(dòng)變化，如EEG和MEG具有高時(shí)間分辨率。

靈敏度在時(shí)間分辨率較高的技術(shù)中通常更低，因?yàn)榭焖俨蓸拥男盘?hào)通常噪聲較大，從而降低了檢測(cè)微弱信號(hào)變化的能力。相反，較低時(shí)間分辨率的技術(shù)如fMRI可以通過累積信號(hào)來增強(qiáng)靈敏度。

2）靈敏度與空間分辨率

如前所述，空間分辨率是指腦成像技術(shù)區(qū)分大腦中不同區(qū)域活動(dòng)的精度，通常以毫米或更小單位表示。較高的空間分辨率意味著能夠更細(xì)致地分辨腦部結(jié)構(gòu)和功能活動(dòng)，如fMRI具有較高的空間分辨率。

較高的空間分辨率往往要求更精細(xì)的信號(hào)處理，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低，從而降低靈敏度。提高靈敏度通常需要在較低空間分辨率下采集信號(hào)，或者采用較長(zhǎng)的掃描時(shí)間以增強(qiáng)信號(hào)。

3）綜合影響

在腦成像技術(shù)中，靈敏度與時(shí)間分辨率和空間分辨率的關(guān)系是相互影響和權(quán)衡的。高時(shí)間或空間分辨率可能降低靈敏度，反之亦然。因此，腦成像技術(shù)的應(yīng)用需要根據(jù)具體需求在這三者之間找到最佳平衡點(diǎn)。例如，雖然EEG時(shí)間分辨率高，但其空間分辨率和靈敏度較低；fMRI空間分辨率和靈敏度高，但時(shí)間分辨率較低。

在BCI中，靈敏度決定了系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別用戶意圖的能力，直接影響B(tài)CI的性能和用戶體驗(yàn)。高靈敏度能夠提高BCI的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，增強(qiáng)用戶的控制感和滿意度。關(guān)于腦信號(hào)靈敏度的一些信息可以參考文獻(xiàn) [36] [182]。

6.6 腦神經(jīng)元電磁信號(hào)

腦神經(jīng)元電磁信號(hào)是由腦神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)和磁信號(hào)，主要由神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬ˋction Potential, AP）和突觸后電位（Postsynaptic Potentials, PSP）引起的離子流動(dòng)產(chǎn)生，特別是突觸后電位在皮層中的同步活動(dòng)能夠在較大范圍內(nèi)形成較為顯著的電磁場(chǎng)。這些電磁信號(hào)可以通過特定的技術(shù)手段進(jìn)行記錄。

神經(jīng)元通過電位變化進(jìn)行通信，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元被激活時(shí)，其膜電位會(huì)發(fā)生快速的去極化（Depolarization）和復(fù)極化（Repolarization），從而產(chǎn)生動(dòng)作電位。這些動(dòng)作電位及其在神經(jīng)元群體中的同步活動(dòng)會(huì)在頭皮和周圍組織中產(chǎn)生可檢測(cè)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

文獻(xiàn)[183]提供了有關(guān)腦神經(jīng)元電磁信號(hào)、神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢弧⑼挥|后電位、神經(jīng)元去極化、神經(jīng)元復(fù)極化、神經(jīng)元超極化（Hyperpolarization）。

6.6.1 神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬ˋP）

神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢皇钱?dāng)神經(jīng)元受到足夠的刺激時(shí)，膜電位迅速而短暫地從負(fù)值變?yōu)檎挡⒃倩氐届o息電位的電信號(hào)，這一過程包括去極化、復(fù)極化和超極化階段。AP是高頻和短時(shí)程的電信號(hào)，頻率通常在數(shù)百 Hz 以上。AP 的記錄通常需要極高的空間分辨率，通常在微米級(jí)，能夠分辨單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)[184]。

AP是神經(jīng)信號(hào)傳遞的基本單位，用于研究單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)和信息編碼機(jī)制，允許神經(jīng)元與其他神經(jīng)元或肌肉細(xì)胞進(jìn)行通信。

6.6.2 突觸后電位

突觸后電位是在突觸傳遞神經(jīng)沖動(dòng)的過程中，由突觸前神經(jīng)元釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與突觸后神經(jīng)元膜上的受體結(jié)合，導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元膜上的電位變化。突觸后電位可以是去極化（引起興奮性突觸后電位，Excitatory Postsynaptic Potential（EPSP））或超極化（引起抑制性突觸后電位，Inhibitory Postsynaptic Potential（IPSP）），并決定是否在突觸后神經(jīng)元上觸發(fā)動(dòng)作電位[185]。

6.6.3 神經(jīng)元去極化

神經(jīng)元的極化是靜息狀態(tài)下的膜電位分布。當(dāng)神經(jīng)元受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜上的鈉離子（Na?）通道打開，鈉離子流入細(xì)胞內(nèi)，使得細(xì)胞內(nèi)的電位變得比靜息狀態(tài)下的電位更正，即從負(fù)電位接近零或變?yōu)檎娢弧＿@種膜電位從負(fù)向正的變化過程被稱為去極化[186]。

6.6.4 神經(jīng)元復(fù)極化

緊隨去極化之后，鉀離子（K?）通道打開，鉀離子流出細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)的電位恢復(fù)到接近其靜息電位的狀態(tài)，即恢復(fù)到負(fù)電位。這一過程稱為復(fù)極化[187]。

6.6.5 神經(jīng)元超極化

超極化是神經(jīng)元膜電位變得比其靜息電位更負(fù)的過程。通常情況下，神經(jīng)元的靜息膜電位約為-70 mV，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的電荷變得比外部更負(fù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生超極化。這種現(xiàn)象使得神經(jīng)元更不易被激發(fā)，因?yàn)樾枰鼜?qiáng)的刺激來使膜電位達(dá)到觸發(fā)動(dòng)作電位的閾值[188]。

腦神經(jīng)元電磁信號(hào)的記錄方法主要有頭皮腦電圖（Scalp Electroencephalography, EEG）、皮層腦電圖（Electrocorticography, ECoG）、局部場(chǎng)電位（Local Field Potentials, LFPs）、神經(jīng)元發(fā)放（Neuronal Firing, NF）和腦磁圖（Magnetoencephalography, MEG）。

6.7 頭皮腦電（EEG）

EEG是一種通過在頭皮上放置電極記錄大腦自發(fā)電活動(dòng)的方法。EEG信號(hào)主要反映了大腦皮層大量神經(jīng)元同步放電所產(chǎn)生的綜合性電活動(dòng)，通常以振蕩節(jié)律的形式出現(xiàn)，如表14所示。EEG具有較高的時(shí)間分辨率（毫秒級(jí)），能夠?qū)崟r(shí)捕捉大腦活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究、臨床診斷以及BCI技術(shù)中[53]。

表14 EEG的五種節(jié)律及其范圍

然而，EEG的空間分辨率較低，大腦神經(jīng)元電活動(dòng)在傳遞過程中經(jīng)過腦脊液、顱骨和頭皮等，這些介質(zhì)的電阻和導(dǎo)電特性會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)被擴(kuò)散和模糊，削弱了源于特定皮層區(qū)域的精確定位。此外，EEG信號(hào)是由大量神經(jīng)元電活動(dòng)疊加而成的整體活動(dòng)，難以區(qū)分不同神經(jīng)元或神經(jīng)元群體的貢獻(xiàn)，也進(jìn)一步限制了其空間分辨率[53]。

EEG的信噪比較低，EEG信號(hào)來源于頭皮電極捕捉的大量神經(jīng)元的總和活動(dòng)，且這些信號(hào)在通過腦脊液、顱骨和頭皮等組織時(shí)會(huì)被嚴(yán)重衰減和擴(kuò)散。此外，EEG還易受到眼動(dòng)、肌肉活動(dòng)、電磁干擾等外部噪聲的影響，這些非腦源性信號(hào)會(huì)疊加到腦電信號(hào)上，進(jìn)一步降低了EEG的信噪比[189]。

由于EEG的非侵入性、相對(duì)較高的時(shí)間分辨率和便攜性等，它是最常用的BCI信號(hào)來源之一，尤其在非侵入式BCI中。EEG可用于實(shí)時(shí)解碼用戶特定的意圖，以控制外部設(shè)備或應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)等，但面臨著空間分辨率低和信噪比低的挑戰(zhàn)[1]。

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