《脑机接口导论》学习笔记 3.记录大脑的信号和刺激大脑
本章，我们将对大脑中神经元电信号的记录与对神经元进行刺激的技术手段进行了解，并分析各项技术的优劣性与适用性，从而探究这些技术用于BCI输入信号的获取以及通过此类技术使BCI达成交互的可行性。
目录
3.记录大脑的信号和刺激大脑
3.1 记录大脑信号
3.11 侵入式技术
1.微电极
2.细胞内记录
3.细胞外记录
4.四极管和多电极记录
5.多电极阵列
6.皮质脑电图
7.微皮质脑电图
8.光学记录
3.12 非侵入式技术
1.脑电图
2.脑磁图
3.功能性磁共振成像
4.功能性红外成像
5.正电子发射断层成像
3.2 刺激大脑
3.21侵入式技术
1.微电极
2.直接皮质电刺激
3.光刺激
3.22非侵入式技术
1.经颅磁刺激
2.经颅超声
3.3同步记录和刺激
1.多电极阵列
2.神经芯片
3.4问题和习题
3.记录大脑的信号和刺激大脑
3.1 记录大脑信号
3.11 侵入式技术
1.微电极
微电极是一种用于连接脑组织的极细金属丝或其他导电体。
2.细胞内记录
细胞内记录是测量神经元细胞膜电压电流的最直接方法，通常使用膜片钳技术测量。该技术由于操作过程精细，较难在活体动物大脑上进行，一般用于脑切片组织上。
3.细胞外记录
将微电极接近细胞体采集动作电位引起的电压波动。记录的信号幅值不到1毫伏，因此需要使用放大器检测信号。放大器的信号传入计算机，再进行消除噪声和分离锋电位的进一步处理。
4.四极管和多电极记录
使用多个电极可同时记录多个神经元的信号，其优点在于电极附近每个神经元的记录都有唯一标签。
5.多电极阵列
多电极阵列使电极排列成网状，其拥有更高的空间分辨率，可同时记录数十个神经元细胞的信号并从中提取复杂信息。其缺点在于植入设备长期处于脑组织中时，早期疤痕组织的形成会产生绝缘套，从而显著影响记录信号的质量，降低其在BCI中的有效性。
6.皮质脑电图
皮质脑电图（ECoG）通过将电极放置在大脑皮层表面来记录大脑信号。其需要在脑颅骨上开一个手术切口将电极植入大脑表面，其仅用于临床，可以记录上万个神经元的神经元集群的电位波动，但不能直接测量锋电位。是一种介于侵入式多电极阵列与非侵入式脑电图之间的一种部分侵入技术。其相较于将多电极阵列植入大脑更加安全，不易受疤痕组织的影响，较于脑电图也拥有更高的空间分辨率。但只能对于手术部位进行记录，会受到药物与病人自身情况影响。
7.微皮质脑电图
克服皮质脑电图的大尺寸缺点，，拥有更高的分辨率
8.光学记录
使神经元染上电压敏感染料，使其电活动成像，通过显微镜借由光电二极管观察。其在观察大脑的宏观特征使较为有用，比如大脑的皮质特征图。
3.12 非侵入式技术
空间分辨率：PET=fMRI>fNIR>>MEG>EEG
时间分辨率：MEG>EEG>>fNIR>fMRI>>PET
1.脑电图
脑电图（EEG）通过放置在头皮上的电极记录大脑信号，可以反映头皮的上千神经元产生的电位总和，主要用于采集大脑皮质中的电活动，空间分辨率较差，但时间分辨率优秀。影响其空间分辨率的因素是大脑皮质与安放在头皮之间的电极间夹有不同的分层组织，因此需要功率放大器和信号处理方法放大信号与消除噪声。眼动、说话等底层大脑信号也会产生信号污染。
2.脑磁图
脑磁图（MEG）通过超导量子干涉仪测量大脑电活动产生的磁场。其优先测量脑沟的活动，而EEG对脑沟与脑回活动都敏感。其拥有优秀的时间分辨率，由于不受有机物电场影响，其在空间分辨方面优于EEG。
3.功能性磁共振成像
功能性核磁成像（fMRI）通过测量由于神经元活动的增强而产生的血流量变化来间接测量大脑中的神经元活动。由于神经元活动需要更多的氧气，这些氧气通过血液送达大脑导致了更高的血流量，其测量血液中的氧水平，其信号被称为血氧水平依赖。其优点在于空间分辨率比EEG和MEG等非侵入式技术高很多，但时间分辨率较低。
4.功能性红外成像
功能性近红外成像（fNIR）基于有氧与无氧是血红蛋白对近红外光的吸收率不同，通过光学技术测量神经元活动增强引起的血氧水平变化。其比fMRI成像更容易受噪声影响且空间分辨率更低，但是更加轻便。
5.正电子发射断层成像
正电子发射断层成像（PET）通过检测代谢活动间接测量大脑活动。其测量放射性标记的代谢活跃化合物（如葡萄糖），产生大脑活动的图像。其空间分辨率与fMRI相当但时间分辨率相当低，且存在放射性快速衰减等缺点，是一种比较古老的技术。
3.2 刺激大脑
3.21侵入式技术
1.微电极
用于细胞外记录的微电极可以直接应用于神经元的刺激，往往激活的是电极附近的神经元集群而非单个神经元，目前脑刺激在对猴子的决策影响等实验中已经得到应用。
2.直接皮质电刺激
通过半侵入式方法刺激大脑神经元，使用ECoG中在皮质表面使用的电极，用交替的短脉冲刺激电极附近的数千神经元，产生迅速的影响。临床中一般用于确定病人大脑中感知、运动、记忆和语言功能对于的脑区。
3.光刺激
激光照射可以使神经元兴奋，其原理暂不清晰，一种观点认为兴奋来自于细胞膜瞬间穿孔并在照射中断时重新封闭。在另一种被称为光感基因刺激的方法中，通过基因操作使某些神经元响应编码，暴露在光照下时，细胞神经元会产生动作电位。目前而言，光遗传学虽具有前景，但在脑机接口中的应用有待更深入研究。
3.22非侵入式技术
1.经颅磁刺激
经颅磁刺激通过外部线圈产生的变化磁场，激活大脑内神经元集群产生电流进行刺激。优点在于是非侵入式技术，使用范围不止局限于病人，但其只适用于激活大脑表层的神经元，且定位刺激区域的能力较差。
2.经颅超声
通过低强度的超声波刺激大脑回路，具体机理目前尚不明确，是否能用于非侵入式BCI系统的一部分有待进一步观察.
3.3同步记录和刺激
1.多电极阵列
在多电极阵列中，用于记录锋电位的微电极可以用来传送去极化或者高度极化电流以使神经元兴奋或抑制，其中一部分电极用于记录，其他电极可用于进行刺激。
2.神经芯片
神经芯片是一种集成芯片，其通过微处理器对来自电极的信号进行锋电位分类并可以传送命令产生电脉冲。用于记录信号的短片段与所需的刺激模式可以存储在芯片的储存器上。
3.4问题和习题
1. 目前可用于记录大脑信号的侵人式技术有哪些？ 说明各项技术能否从单个神经元记录锋电位。
目前侵入式技术有细胞内记录，细胞外单电极、四极管、多电极阵列记录，皮质、微皮质脑电图记录，光学记录。其中细胞内记录，细胞外的单电极、四极管、多电极阵列可以实现从单个神经元记录锋电位。
2. 解释细胞内和细胞外记录之间的区别。哪一个技术通常用于记录清醒的活体动物？
细胞内记录是将电极穿过细胞膜，直接测量细胞的膜内电位，细胞外记录的电极则是在细胞膜的外部。其中细胞外记录常用于记录清醒的活体动物，细胞内记录往往用于组织切片。
3. 判断下面语句的真假：
a. 细胞内记录可以记录单个神经元的膜电位。
b. 膜片钳技术是一种细胞外记录技术的实例。
c. 微电极的端部直径通常等于或小于 10 _ 6m。
d. 四极管最多可同时记录四个神经元。
e. 多电极阵列可用于同步记录几十个神经元的锋电位。
f. ECoG 能记录大脑表面的电位。
a.正确 细胞内记录对单个神经元切片进行操作，记录单个神经元的膜电位。
b.错误 膜片钳技术是一种细胞外的记录技术。
c.正确 微电极的端部尺寸不到10微米。
d.错误 四极管对四个位置附近的二十多个神经元都可以记录。
e.正确 多电极阵列可同时记录同步数十个神经元的信息。
f.正确 皮质脑电图将电极放置在大脑表面测量手术部位神经元集群的电位。
4. 讨论 ECoG 电极记录的信号与发生在其下的神经活动之间的关系。
ECoG电极不能直接测量锋电位，而是记录神经元集群一致性活动引起的电位波动，其记录到的信号与皮质神经元树突接收到的电流相关。
5. 比较采用多电极阵列与 ECoG 阵列记录大脑活动的优缺点。
采用多电极阵列可以记录数十个神经元的锋电位，从中提取复杂信息，拥有较高的空间分辨率，但由于较深入脑组织，会导致在周围形成疤痕组织产生绝缘套，使电极的记录信号质量下降。
采用ECoG阵列可以记录上万神经元形成神经元集群的一致性活动引起的电位波动，较非侵入式技术空间分辨率更高，较一般的电极植入更为安全，不会因为时间推移产生磨损与信号影响。
6. 采用微电极与 ECoG 电极测量神经信号的近似电压范围是多少？
微电极的电压振幅通常不到1mV，ECoG的振幅通常为50~100μV。
7. 解释电压敏感染料如何能用于对神经元集群活动的成像。
染料可以改变吸收率和荧光来反映细胞膜电位的变化，使神经元染上电压敏感染料后，可使其电活动成像。其在大脑宏观特征成像中特别有用。
8. 描述基于荧光钙指示剂染料的神经活动双光子成像的原理。
神经元细胞膜中存在钙离子通道，神经元去极化的过程伴随着钙离子的流入，将荧光钙染料注入神经元，可以通过双光子显微镜检测神经元活动时钙荧光的变化，适用于神经元多目标成像。
9. EEG 测量的神经活动由哪些成分组成？ 大脑的哪些区域对 EEG 信号起的作用最大？
EEG主要测量大脑皮质上的神经活动的电信号。大脑皮质与电极之间的脑膜、脑脊液、颅骨、头皮等分层组织对EEG信号的影响较大。
10. EEG 采用的 10-20 系统是什么？
国际10-20系统是指规定在头皮上电极位置的标准，将周长分为10%和20%的间隔来决定电极的位置。
11. 描述与下列 EEG 波相关的频率范围和大脑现象：
a. alpha
b. beta
c. gamma
d. mu
e. Theta
a.alpha波在8~13Hz范围内，在人处于放松或闭眼状态时出现。
b.beta波在13~40Hz范围内，在人处于警示或专注状态时出现。
c.gamma波在30~100Hz范围内，在完成短期记忆和多感官任务整合时出现。
d.mu波长在8~13Hz范围内，在运动或学习状态时出现。
e.theta波在4~8Hz范围内，在疲倦或空闲状态时出现。
12. 列举同为非侵人式大脑记录技术的 MEG 与 EEG 相比的优缺点。
MEG系统比EEG系统更大更昂贵，且不易携带，还需要电磁屏蔽室屏蔽包括地球磁场在内的外部磁场。此外，MEG对脑回的电流活动不敏感。
13. 描述由 fMRI 测量的信号与其下发生的神经活动之间的关系。
fMRI测量的是由于神经元活动产生的血流量变化。因为神经活动需要消耗大量的氧气，需要高含氧量的血流的增加，所以我们可以通过血流量的变化间接测量神经元的活动。
14. fNIR 与 EEG 相比有哪些优点和缺点？ 尤其是对这两种方法提供的空间和时间分辨 率进行评论。
fNIR和EEG相似，利用头部安装的发射器与接收器（电极/光极）构造大脑表面神经活动的图像，由于其成像基于红外光穿透颅骨的反射，是基于光学的方法进行测量，不会受到身体其他位置电信号的影响，其空间分辨率会高于EEG但低于fMRI，时间分辨率高于fMRI但低于EEG。
15. 比较用于记录大脑活动的 fNIR 成像和 fMRI。
fNIR是通过血液中血红蛋白对红外光的吸收率对神经元活动进行测量，而fMIR是直接测量血液中的含氧水平。分辨率上来看，fNIR拥有更高的时间分辨率，但空间分辨率更低。设计上，fNIR只能测定靠近颅骨的神经活动，而fMRI可对大脑深部进行成像。设备上fNIR设备更为便宜且便携。
16. 描述用于刺激完整大脑中神经元的两种侵入式技术和两种非侵人式技术，解释如何权衡刺激时的特异性和侵袭性。
侵入式技术中，脑深度电刺激通过在大脑中植入电极，输入电脉冲进行刺激；直接皮质电刺激通过在皮质表面放置电极通过交替变化的短脉冲产生影响。非侵入式技术中，经颅磁刺激通过外部线圈电流变化产生的磁场激活大脑表层的神经元从而产生电流；经颅超声通过低强度超声波影响神经活动。
侵袭性而言，首先在大脑中直接植入电极的脑深度电刺激侵袭性最强，作为半侵入式技术在大脑皮质放置电极的皮质电刺激侵袭性稍弱，非侵入式技术经颅磁刺激与经颅超声的侵袭性最弱。特异性而言，脑深度电刺激中微电极具有刺激记录双向作用，可激活植入部位的神经元集群，直接皮质电刺激对皮质表面进行刺激，经颅磁刺激只适用于大脑表层的神经元，经颅超声刺激的大脑区域范围小于经颅磁刺激但空间分辨率更优秀。
17. 与标准微电极阵列相比， 用于同步记录和刺激的植人式芯片（ 如神经芯片）有哪些优点？
微电极阵列只能对神经元进行刺激与信号的记录，而植入式芯片是一种集成芯片，在进行刺激与记录的同时，还可以对对信号进行锋电位的分类，执行信号处理与计算，并基于计算结果对其他神经元传递刺激。
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