腦-機接口（BCI）相關(guān)術(shù)語

連載(十)

昆明理工大學(xué)伏云發(fā)教授團隊

【導(dǎo)讀】為了方便腦機接口（Brain-computer interface，BCI）初學(xué)者、中級和高級研發(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文獻中使用的若干術(shù)語，包括BCI用戶相關(guān)術(shù)語、實用BCI相關(guān)術(shù)語、用于BCI的腦神經(jīng)電磁信號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。

目錄

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1.1-2.15節(jié)請看

3.1 -3.4節(jié)請看

3.5-3.12節(jié)請看

4.1-4.5節(jié)請看

4.6-4.11節(jié)請看

5.1-5.10節(jié)請看

5.11-5.17節(jié)請看

6.1-6.7節(jié)請看

6.8-6.15節(jié)請看

第7節(jié) 用于BCI的腦組織血氧水平記錄相關(guān)術(shù)語

本節(jié)列出了用于BCI的腦組織血氧水平記錄相關(guān)術(shù)語，包括腦組織代謝血氧水平信號、神經(jīng)血管耦合（Neurovascular Coupling, NVC）、功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）和功能近紅外光譜（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）

7.1 腦組織代謝血氧水平信號（本節(jié)前言）

腦血管記錄通常指利用成像技術(shù)記錄和監(jiān)測大腦血管活動，如血流速度和血氧濃度，這些腦血管活動的信號能夠間接反映大腦活動，可以用來監(jiān)測大腦的狀態(tài)或識別意圖，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。例如，fNIRS技術(shù)可以通過檢測大腦不同區(qū)域的血氧變化來推斷用戶的認(rèn)知狀態(tài)或任務(wù)執(zhí)行情況，這種技術(shù)可以結(jié)合EEG等其他信號，增強BCI系統(tǒng)的魯棒性和精度。

7.2 神經(jīng)血管耦合（NVC）

神經(jīng)血管耦合（NVC）是大腦神經(jīng)活動與局部血流量變化之間的聯(lián)系。當(dāng)神經(jīng)元活動增加時，附近的血管會擴張，以提供更多的氧氣和營養(yǎng)，這一過程稱為NVC。NVC 是腦功能成像（如fMRI和fNIRS）的基礎(chǔ)，因為這些技術(shù)依賴于檢測大腦局部血流和血氧水平的變化來推斷神經(jīng)活動[205-206]。

在BCI領(lǐng)域，可利用NVC間接監(jiān)測和解碼大腦活動。通過測量腦血流的變化，如利用fNIRS，BCI 系統(tǒng)可以識別用戶的意圖或狀態(tài)，從而實現(xiàn)對設(shè)備的控制。因此，理解和利用 NVC 是開發(fā)基于血流信號的 BCI 系統(tǒng)的關(guān)鍵。

7.2.1 血氧水平依賴（Blood Oxygen Level Dependent, BOLD）

血氧水平依賴（BOLD）是一種功能性磁共振成像（fMRI）的信號，基于血氧水平的變化來間接測量腦部神經(jīng)活動。當(dāng)神經(jīng)元活動增加時，局部血流量和氧合血紅蛋白濃度增加，導(dǎo)致脫氧血紅蛋白（HbR）濃度相對減少，從而影響 fMRI 信號強度。BOLD 信號是 fMRI 的主要原理，用于識別大腦中活躍的區(qū)域。關(guān)于BOLD的一些信息可以參考文獻[207-209]。

在BCI中，BOLD 信號可用于識別大腦的活動模式，實現(xiàn)神經(jīng)反饋訓(xùn)練等。然而，由于 BOLD 信號的時間分辨率較低（通常為數(shù)秒），它在實時或快速響應(yīng)的 BCI 系統(tǒng)中應(yīng)用較為有限。研究者們正在探索結(jié)合其他技術(shù)（如 EEG）以彌補這一局限，使其在 BCI 領(lǐng)域中具有更廣泛的應(yīng)用前景[73，第21章]。

7.2.2 腦血流（Cerebral Blood Flow, CBF）

腦血流（CBF）是流經(jīng)大腦各個區(qū)域的血液量，通常以每100克腦組織每分鐘血流量毫升（mL/min/100g）為單位。CBF 是維持腦組織代謝和功能的關(guān)鍵因素，供應(yīng)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，并清除代謝廢物。CBF 的調(diào)節(jié)與神經(jīng)活動緊密相關(guān)，通過NVC機制，血流量會在特定腦區(qū)神經(jīng)活動增加時自動增加，以滿足代謝需求。關(guān)于CBF的一些信息可以參考文獻[210-211]。

CBF 的變化可以作為BCI解碼大腦活動的重要信號。例如，可通過功能性近紅外光譜（fNIRS）和功能性磁共振成像（fMRI）等技術(shù)監(jiān)測 CBF 的變化，以幫助識別和解釋用戶的腦活動模式，從而實現(xiàn)對設(shè)備或系統(tǒng)的控制。由于 CBF 反映了大腦特定區(qū)域的活動狀態(tài)，理解并利用 CBF有助于提升BCI 系統(tǒng)解碼的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的有效性[73，第21章]。

7.2.3 腦血容量（Cerebral Blood Volume, CBV）

腦血容量（CBV）是在特定時間點大腦組織中的血液總量，通常以每100克腦組織內(nèi)血流量毫升（mL/100g）為單位。CBV 是CBF的組成部分，與大腦血管的擴張和收縮密切相關(guān)，反映了腦血管的容納能力和腦組織的灌注狀態(tài)。關(guān)于CBV的一些信息可以參考文獻 [212] [213]。

CBV 的變化有可能用于BCI識別大腦活動模式。例如，功能性磁共振成像（fMRI）技術(shù)可以通過檢測BOLD信號，間接測量 CBV 的變化，從而幫助識別用戶的腦活動。

7.2.4 血管反應(yīng)性（Vascular Reactivity）

血管反應(yīng)性是血管對各種生理或藥理刺激的反應(yīng)能力，可通過觀察血管口徑的變化來測量。這種反應(yīng)性反映了血管調(diào)節(jié)和自我調(diào)節(jié)的功能，特別是在二氧化碳（CO?）、氧氣、藥物或神經(jīng)性刺激時的反應(yīng)。關(guān)于血管反應(yīng)性的一些信息可以參考文獻[214-216]。

血管反應(yīng)性與CBF和CBV密切相關(guān)。高效的血管反應(yīng)性可以確保腦組織在神經(jīng)活動增加時獲得充足的血液供應(yīng)，這對于基于功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近紅外光譜（fNIRS）的BCI系統(tǒng)尤為重要。這些系統(tǒng)通過監(jiān)測血液動力學(xué)的變化來識別用戶的腦活動，因此，了解和評估血管反應(yīng)性有助于提高BCI系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

7.3 功能性磁共振成像（fMRI）

功能性磁共振成像（fMRI）是一種用于測量和繪制大腦活動的成像技術(shù)。fMRI通過檢測血氧水平依賴（Blood Oxygen Level Dependent, BOLD）信號來間接反映神經(jīng)元活動。BOLD信號與腦血流和腦血容量的變化有關(guān)。

fMRI的空間分辨率通常在1-3毫米范圍內(nèi)，這意味著fMRI能夠以每像素1-3毫米的精度檢測大腦活動。fMRI的時間分辨率相對較低，通常在1-2秒的范圍內(nèi)，這是由于BOLD信號的特性以及掃描過程中每個體素的成像速度限制。文獻[206]對fMRI的能力及其局限性進行了詳盡討論，包括fMRI的分辨率及其在大腦研究中的應(yīng)用；文獻[217]回顧了fMRI的發(fā)展歷程，并探討了其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和BCI領(lǐng)域的應(yīng)用。

fMRI可用于BCI系統(tǒng)研發(fā)的前期階段，尤其是在探索與特定任務(wù)或狀態(tài)關(guān)聯(lián)的功能腦區(qū)方面，有助于設(shè)計與這些功能腦區(qū)活動相關(guān)的BCI系統(tǒng)。例如，在運動想象任務(wù)中，fMRI可以幫助定位與運動控制相關(guān)的腦區(qū)，用于BCI的信號獲取。

7.3.1靜息態(tài)功能連接（Resting-State Functional Connectivity, RSFC）

靜息態(tài)功能連接（RSFC）是大腦處于靜息狀態(tài)（即沒有執(zhí)行特定任務(wù)）時，不同腦區(qū)之間自發(fā)神經(jīng)活動的同步性。通過分析功能性磁共振成像（fMRI）等技術(shù)獲得的大腦活動數(shù)據(jù)，研究人員可以識別出在靜息態(tài)下協(xié)同工作的腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)反映了大腦的內(nèi)在組織和功能結(jié)構(gòu)，揭示了大腦在無特定任務(wù)時的基本信息處理方式。關(guān)于RSFC的一些信息可以參考文獻[218-220]。

RSFC可用于理解和利用大腦的自然功能連接網(wǎng)絡(luò)，尤其是在設(shè)計有空閑狀態(tài)或不依賴任務(wù)的BCI系統(tǒng)時。例如，RSFC有助于研發(fā)適應(yīng)用戶個體差異的BCI系統(tǒng)，通過識別靜息態(tài)下的功能網(wǎng)絡(luò)，提高腦信號解碼的準(zhǔn)確性。利用RSFC，可以識別出特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以便在不需用戶執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的情況下進行BCI操作。

7.3.2 任務(wù)態(tài)功能連接

7.3.3靜息態(tài)功能性磁共振成像（Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging, rs-fMRI）

靜息態(tài)功能性磁共振成像（rs-fMRI）是受試者在清醒放松、無任務(wù)和外部刺激的狀態(tài)下測量大腦自發(fā)的血氧水平變化（BOLD信號），靜息態(tài)時間通常在5到15分鐘之間，這個時間范圍允許獲得足夠的靜息態(tài)腦活動數(shù)據(jù)，以便有效分析大腦的自發(fā)活動和功能連接性。rs-fMRI通過監(jiān)測大腦血流的變化來分析腦區(qū)之間的功能連接性，揭示大腦在靜息狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)活動和功能組織。

rs-fMRI 提供的信息對于理解大腦在沒有外部任務(wù)時的功能網(wǎng)絡(luò)非常重要，這有助于改進BCI系統(tǒng)，特別是在個性化BCI的開發(fā)中。理解靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)有助于設(shè)計更加適應(yīng)用戶自然腦活動的BCI系統(tǒng)。此外，rs-fMRI可以用于評估BCI訓(xùn)練過程中的大腦網(wǎng)絡(luò)變化，從而優(yōu)化BCI系統(tǒng)的訓(xùn)練和評估策略。

文獻[219]討論了靜息態(tài)fMRI在發(fā)現(xiàn)人腦功能網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，為理解靜息態(tài)功能性成像提供了重要的信息；文獻[218]評述了靜息態(tài)腦活動的自然波動和相關(guān)功能網(wǎng)絡(luò)的研究，對BCI系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了重要參考。

7.3.4任務(wù)態(tài)功能性磁共振成像（Task-based fMRI, Task-fMRI）

任務(wù)態(tài)功能性磁共振成像（Task-fMRI）是功能性磁共振成像技術(shù)在受試者執(zhí)行特定任務(wù)時測量大腦活動的過程。通過監(jiān)測大腦在特定認(rèn)知任務(wù)（如記憶、語言、視覺、聽覺或運動等任務(wù)）期間的BOLD信號變化，Task-fMRI能夠識別與任務(wù)相關(guān)的激活腦區(qū)。這種方法用于揭示大腦在執(zhí)行特定任務(wù)時如何協(xié)調(diào)工作，可以為認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)研究提供詳細(xì)的功能性腦圖譜。關(guān)于Task-fMRI的一些信息可以參考文獻[221-223]。

Task-fMRI提供了受試者在執(zhí)行特定任務(wù)時大腦如何協(xié)調(diào)資源的深刻見解。通過Task-fMRI數(shù)據(jù)，研究人員可以研發(fā)針對特定任務(wù)的BCI系統(tǒng)，例如，通過理解與運動相關(guān)的腦區(qū)激活以指導(dǎo)設(shè)計基于運動想象的BCI[73，第21章]。

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