脑-机接口（BCI）相关术语
连载(十二)
昆明理工大学伏云发教授团队
【导读】为了方便脑机接口（Brain-computer interface，BCI）初学者、中级和高级研发者查阅或精准理解BCI相关术语，本章列出了BCI相关术语。第1节为前言，第2节列出了与BCI直接相关的术语，第3节列出了与BCI紧密相关的术语，后面的几节分别列出了在BCI文献中使用的若干术语，包括BCI用户相关术语、实用BCI相关术语、用于BCI的脑神经电磁信号和脑组织血氧水平记录相关术语、BCI相关脑结构与功能术语，以及BCI相关的其他术语。这种列举方式是为了整理BCI相关术语的方便，不是绝对的，也不是标准，仅供参考，目的是为了方便查询或理解BCI相关术语。
目录
1.1-2.15节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（一）
3.1 -3.4节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（二）
3.5-3.12节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（三）
4.1-4.5节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（四）
4.6-4.11节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（五）
5.1-5.10节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（六）
5.11-5.17节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（七）
6.1-6.7节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（八）
6.8-6.15节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（九）
7.1-7.3节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（十）
7.4节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（十一）
第8节 BCI相关脑结构与功能术语
神经科学，特别是脑科学是BCI的科学原理或科学基础。为此，本节列出BCI相关脑结构与功能术语，包括静息态（Resting State, RS）、任务态（Task State, TS）、大脑共同的解剖参考框架（Common Anatomical Reference Framework, CARF）、大脑分区表（Brain Atlas）、脑结构连接性（Structural Connectivity，SC）、脑功能连接性（Functional Connectivity，FC）、脑图谱（Brain Mapping, BM）、脑结构图谱（Structural Brain Mapping, SBM）、脑功能图谱（Functional Brain Mapping, FBM）、运动皮层（Motor Cortex）、脑干运动神经元（Brainstem Motor Neurons）、脊髓运动神经元（Spinal Motor Neurons）、体感皮层（Somatosensory Cortex）、视觉皮层（Visual Cortex）、听觉皮层（Auditory Cortex）、视觉反馈（Visual Feedback, VF）、听觉反馈（Auditory Feedback, AF）、体感反馈（Somatosensory Feedback，SF）和触觉反馈（Haptic Feedback，HF）。
8.1 静息态（RS）
静息态（RS）是大脑在不执行任何明确任务或没有外部刺激时所处的自发活动状态。即使在静息态下，大脑仍然呈现出显著的功能性连接性，各脑区之间会显示出低频同步波动，这些波动反映了大脑内在网络的活动[244-245]。
RS研究在脑科学中非常重要，因为它揭示了大脑内在的网络结构及其功能连接模式。例如，RS功能磁共振成像（rs-fMRI）已被广泛用于绘制大脑的功能连接图谱，这对理解大脑功能组织、神经疾病的机制以及开发新的诊断工具具有重要意义。
在BCI研究中，RS信号可以用来探索大脑的基线活动状态，并可能作为开发无任务BCI系统的基础。通过RS数据，可以识别个体特定的功能连接模式，这有助于设计更加个性化和精确的BCI系统，尤其在康复和临床应用中具有潜在价值。
8.2 任务态（TS）
任务态（TS）是大脑在执行特定任务或响应外部刺激时所处的活动状态。在TS下，大脑中的特定区域会被激活，以处理与任务相关的认知、感知或运动需求。TS研究通常由实验范式引导被试执行特定任务，同时记录脑电图（EEG）、功能磁共振成像（fMRI）等脑活动数据，以分析大脑的功能性反应模式[246]。
TS研究在脑科学中非常重要，因为它帮助我们理解大脑如何响应和处理不同类型的任务，包括感知、记忆、语言、运动等。这种研究能够揭示特定脑区在执行任务时的功能分工，帮助识别与特定认知或行为过程相关的脑网络[247]。例如，TS-fMRI研究可以显示大脑在执行复杂认知任务时的激活模式，从而为理解大脑功能的分布提供重要数据。
在BCI中，TS信号可以用于设计基于特定任务或行为的接口。例如，通过解码用户在执行任务时的脑电信号，可以实现控制外部设备的目的。TS数据还可以帮助优化BCI系统的信号处理算法，提高其在特定任务中的性能。尤其在控制、操作外部设备或进行神经康复训练时，基于TS的BCI系统能够更有效地识别和解码用户意图。
8.3 大脑共同的解剖参考框架（CARF）
大脑共同的解剖参考框架（CARF）是一种标准化的坐标系统或模型，用于描述和定位大脑不同区域的解剖位置。它为不同研究者和临床医生提供了一种一致的方法来定义和比较大脑的解剖结构，确保在不同个体之间和不同研究中能够准确地对照和分析大脑的功能和结构。文献[248-249]涉及了CARF。
CARF有以下作用。
1）标准化比较。通过使用共同的参考框架，研究者可以跨越个体差异，精确地比较不同个体的脑部结构和功能。
2）数据整合。提供一种标准化的方式整合来自不同研究和数据集的大脑图像数据，促进跨研究的数据共享和分析。
3）临床应用。在神经外科手术中，CARF帮助外科医生精确定位手术区域，减少手术风险。
CARF在BCI研究中起到重要作用。BCI系统依赖于对大脑特定区域的准确定位和解码，通过使用CARF，可以更好地匹配和分析神经信号，提升BCI系统的精度和可重复性。
8.4 大脑分区表（Brain Atlas）
大脑分区表是一种详细的解剖图谱，用于标识和定义大脑不同区域的结构和功能。这些表通常包括不同的解剖学分区、功能区以及相关的神经连接[250-251]。
大脑分区表具体作用如下。
1）解剖学参考。提供大脑各区域的标准化分区，有助于研究人员和医生准确描述和定位大脑结构。
2）功能研究。帮助识别和分析大脑不同区域的功能，为神经科学和临床研究提供基础数据。
3）数据整合。用于整合不同实验和临床研究的数据，支持跨研究的比较和综合分析。
在BCI系统中，大脑分区表用于准确定位目标脑区，以便有效解码神经信号和控制外部设备。通过映射不同功能区，BCI系统能够更好地理解用户的意图和脑信号，从而提高系统的精度和响应能力。大脑分区表可以帮助调整和优化BCI系统，以适应不同个体的大脑结构差异。
8.5 脑结构连接性（SC）
脑结构连接性（SC）是大脑不同区域之间通过实际的神经纤维（白质束）进行的物理连接。这种连接性基于大脑的解剖结构，通过神经纤维束或神经通路将不同的脑区联系在一起。它反映了脑区间的实际解剖路径和结构基础。文献[252-253]涉及了SC。
SC的意义和具体作用如下。
1）理解脑网络。揭示大脑的结构性网络布局，有助于理解不同脑区如何通过解剖结构进行功能整合。
2）识别结构异常。可以帮助识别和研究脑部疾病或损伤引起的结构异常，例如脑卒中或神经退行性疾病。
3）支持功能研究。结构连接性为功能性连接性的研究提供基础，帮助解释功能活动如何受到解剖结构的影响。
了解SC有助于改进BCI系统的信号解码，特别是在涉及大脑网络结构的任务中。通过了解结构连接性，BCI系统可以更好地设计和调整以适应大脑的实际解剖结构，从而优化功能调控。根据个体的结构连接性特征，定制个性化的BCI应用程序，提高系统的有效性和用户体验。
8.6 脑功能连接性（FC）
脑功能连接性（FC）是大脑不同区域之间在功能活动上的统计相关性，即这些区域在执行任务或静息状态下的活动模式是否具有同步性或相互依赖性，这种连接性可以反映大脑区域之间的功能交互作用和信息处理网络。文献[218-219]涉及了FC。
FC的意义和具体作用如下。
1）理解脑功能。揭示了大脑功能网络如何协调工作，帮助我们理解大脑在执行不同认知任务时的功能组织。
2）识别病理状态。可以用于识别和研究神经系统疾病和精神障碍（如抑郁症、精神分裂症等）的功能异常。
3）评估脑网络。帮助评估脑功能网络的完整性和有效性，有助于评估患者的康复进展或治疗效果。
通过了解脑功能连接性，有可能提高BCI系统的信号解码精度和系统响应速度。在BCI系统中，功能连接性的信息可以用于改进系统设计，提供更自然的用户体验。根据个体的功能连接性特征，定制个性化的BCI应用程序，以提高操作的效果和舒适性。
8.7 脑图谱（BM）
脑图谱（BM）是通过各种成像和记录技术测绘大脑结构和功能的方法，目的是了解大脑不同区域的结构、功能和连接方式。BM包括结构图谱和功能图谱，前者着重于大脑解剖学特征，后者关注大脑活动的功能分布[218] [254]。
BM在BCI中起着至关重要的作用，通过详细描绘大脑的结构和功能区，帮助确定BCI系统电极的最优放置位置，并指导信号处理和解码过程，从而提高BCI系统的性能和准确性。
8.8 脑结构图谱（SBM）
脑结构图谱（SBM）是利用各种成像技术（如磁共振成像，MRI）来详细描绘和分析大脑的解剖结构，包括灰质、白质、皮层厚度、脑区体积等特征。SBM帮助研究者了解大脑的物理结构如何与功能和行为相关联[254-255]。
SBM在BCI中至关重要，它帮助确定脑电极的放置位置，优化信号采集，提高解码的准确性和系统的稳定性。通过了解脑结构特征，BCI系统可以更好地解释和利用神经信号，从而增强BCI的功能和用户体验。
8.9 脑功能图谱（FBM）
脑功能图谱（FBM）是通过测量和记录大脑在特定任务或静息状态下的活动，绘制出不同脑区功能分布的技术。FBM广泛应用于研究大脑功能分区、神经疾病诊断以及手术规划[218][256]。
FBM在BCI中用于识别和定位与特定任务相关的脑区，从而帮助设计更精准的信号处理算法，提高BCI系统的性能。通过了解大脑活动的空间分布，FBM可以指导电极的放置和脑信号的解码，增强BCI系统的准确性和有效性。
8.10 运动皮层（Motor Cortex）
运动皮层位于大脑的额叶，是负责计划、控制和执行自愿运动的关键区域。它包括初级运动皮层（M1）、前运动皮层（premotor cortex）和辅助运动区（supplementary motor area, SMA）[162]。
运动皮层与BCI的关系概括如下[36]。
1）信号来源。运动皮层是BCI系统的主要信号来源之一。通过记录该区域的神经活动，BCI可以解码用户的运动意图，从而控制外部设备如假肢、机器人或计算机界面。
2）实时控制。BCI系统利用运动皮层的神经信号可以实现对外部设备控制，特别是在运动康复和假肢控制等应用中。运动皮层较高的时间和空间分辨率使得BCI能够实时响应并以较高的准确率解码用户意图。
3）神经塑性。通过BCI训练，运动皮层可以重塑其神经连接，增强用户的控制能力。这种神经塑性对于康复训练尤其重要，可以帮助患者恢复运动功能。
8.11 脑干运动神经元（Brainstem Motor Neurons）
脑干运动神经元是脑干中的一类神经元，负责将运动指令从大脑皮层传递到头面部和部分颈部的肌肉。这些神经元的轴突通过脑神经传导运动信号，如动眼神经、面神经、舌下神经等，调控许多基本生理功能，如呼吸、面部表情、眼球运动、咀嚼、吞咽和发声等功能。文献[153] [284]中提供了有关脑干运动神经元的信息。
8.12 脊髓运动神经元（Spinal Motor Neurons）
脊髓运动神经元是位于脊髓中的一类神经细胞，负责接收来自上位中枢神经系统（如大脑和脑干）的指令，并将这些指令传递给效应器（如肌肉），从而引发肌肉收缩并产生运动。脊髓运动神经元是运动系统中的关键组件，其功能失调会导致严重的运动障碍，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和脊髓性肌萎缩症（SMA）。脊髓运动神经元分为α-运动神经元和γ-运动神经元。α-运动神经元直接支配骨骼肌的纤维，而γ-运动神经元则调节肌梭的敏感性，以维持肌肉的紧张度。文献[153][284]中提供了有关脊髓运动神经元的信息。
8.13 体感皮层（Somatosensory Cortex）
体感皮层位于大脑顶叶的中央后回，是负责处理来自全身的触觉、温度、疼痛和位置感知等体感信息的主要区域。它包含初级体感皮层（S1）和次级体感皮层（S2），在大脑的感觉功能中发挥关键作用[153]。
体感皮层与BCI的关系概括如下[165]。
1）信号来源。体感皮层是BCI系统的重要信号来源。通过记录该区域的神经活动，可以解码用户的感觉和运动意图，帮助BCI系统实现如假肢控制或感觉恢复等功能。
2）反馈机制。BCI系统可以利用体感皮层的信息反馈来优化控制精度。例如，触觉或体感反馈可以增强用户对外部设备的控制感，提高BCI系统的响应速度和准确性。
3）神经塑性。体感皮层具有高度的神经可塑性，通过训练和反馈，可以增强体感皮层与BCI的交互，促进患者的康复或提高系统性能。
8.14 视觉皮层（Visual Cortex）
视觉皮层位于大脑的枕叶，负责处理视觉信息。它包括初级视觉皮层（V1）以及次级视觉区域（如V2、V3、V4、V5等），各自处理不同的视觉特征如形状、颜色和运动[267]。
视觉皮层与BCI的关系概括如下[36]。
1）视觉信息处理。视觉皮层的神经信号可以被BCI系统用于解码视觉感知过程。这对于视觉恢复系统，如视网膜假体，或增强现实应用中的视觉控制至关重要。
2）视觉想象。BCI可以利用视觉皮层的活动来解码用户的视觉想象内容，从而实现以视觉意图控制外部设备。这种应用在帮助失明者恢复部分视觉功能或在虚拟环境中进行导航方面有潜力。
3）神经反馈训练。BCI系统可以通过监测视觉皮层的活动，提供实时反馈，帮助用户训练和增强他们的视觉注意力和认知能力。这种神经反馈训练在治疗注意力缺陷等认知障碍时有应用前景。
8.15 听觉皮层（Auditory Cortex）
听觉皮层位于大脑的颞叶，主要负责处理听觉信息。它包括初级听觉皮层（A1）以及周围的次级听觉区域，这些区域参与声调、音调、节奏等声音特征的分析和处理[268]。
听觉皮层与BCI的关系概括如下[192]。
1）听觉信息解码。BCI系统可以通过记录和解码听觉皮层的神经活动，识别用户听到或想象的声音。这在开发听觉假体或增强听力的设备中具有潜在应用。
2）语言处理。听觉皮层在处理语音和语言方面起着关键作用。BCI系统可以利用这一区域的信号来解码语言理解和表达意图，帮助患有语言障碍的个体通过意念交流。
3）神经反馈训练。通过监测听觉皮层的活动，BCI可以提供实时反馈，帮助用户增强听觉注意力和听觉感知能力。这种反馈机制在康复训练中有助于听觉能力的恢复或提升。
8.16 视觉反馈（VF）
视觉反馈（VF）是通过视觉信号提供信息或感觉反馈的技术。在许多系统中，VF通常以图形、文字、颜色变化或动画的形式呈现，帮助用户理解系统的状态或操作结果。
在BCI系统中，VF是最常用的反馈形式之一，通过屏幕或其他视觉显示设备向用户提供实时的操作结果、系统状态或错误提示。这种反馈方式能够帮助用户调节脑信号输入，提高对系统的控制精度和用户体验。文献[257-258]提供了VF在BCI系统中的应用。
VF在BCI系统中的具体作用如下：
1）实时操作反馈。VF能够即时呈现用户的脑信号输入是否被系统正确识别和执行，帮助用户优化他们的脑活动以实现更精确的控制。
2）引导训练。在BCI系统的训练阶段，VF可以帮助用户理解如何产生有效的脑信号，从而提高学习速度和准确性。
3）增强交互体验。通过颜色变化、图形移动或其他视觉效果，VF可以使BCI的交互过程更加直观和有趣，增加用户的参与度和满意度。
8.17 听觉反馈（AF）
听觉反馈（AF）是通过声音或音频信号提供感觉反馈的一种技术，常用于各种交互系统中，由声音提示或警报帮助用户完成任务或做出决策。
在BCI系统中，听觉反馈作为一种非视觉的反馈方式，能够为用户提供实时的操作反馈，尤其适用于视觉受限或需要多任务处理的情境。通过AF，BCI系统可以将操作结果或状态信息反馈给用户，帮助他们更好地控制外部设备或理解系统的响应。文献[259-260]提供了AF在BCI系统中的应用。
AF在BCI系统中的具体作用如下：
1）实时反馈。AF能够提供即时的状态或错误信息，帮助用户及时调节他们的脑信号输出，以提高控制的准确性。
2）支持视觉受限环境。在不适合使用视觉反馈的情况下，如黑暗环境或用户无法长时间注视屏幕时，AF提供了一种有效的替代方式。
3）多模态反馈。结合视觉、触觉等其他形式的反馈，AF可以增强用户与BCI系统的多感觉交互体验，提高操作效率和用户满意度。
8.18 体感反馈（SF）
体感反馈（SF）是通过感知触觉、压力、温度、震动以及身体姿势等感觉信号来获取和感知身体状态的信息，这些感觉信号由皮肤、肌肉、关节等体感系统中的感受器传递到中枢神经系统，从而帮助个体调节和控制运动[263-264]。
在基于BCI的肢体功能障碍康复训练系统中，SF具有重要作用，能够为用户提供实时的感觉输入，增强大脑与外部设备之间的连接，促进大脑的神经适应性和学习能力，帮助改进运动控制，从而提升康复训练的效果。
SF在BCI系统中的具体作用如下：
1）运动功能重建和康复
SF在BCI系统中用于运动功能重建和康复训练，特别是对中风、脊髓损伤或其他运动功能障碍的患者。通过提供触觉或其他体感反馈，BCI系统可以模拟自然的感觉体验，帮助患者恢复或增强运动控制能力。
2）闭环控制的实现
SF是实现BCI闭环控制的关键元素之一。在闭环BCI系统中，用户的脑信号控制外部设备（如假肢、机器人手臂等），而设备的运动或位置变化通过SF返回给用户。这种反馈机制帮助用户调节脑信号以实现更精确的控制，从而改善BCI系统的响应速度和精度。
3）增强学习与适应
在BCI训练中，SF可以加速学习过程，使用户更快适应和掌握系统的操作。通过实时反馈感知到的错误或成功，用户能够更直观地理解如何调节自己的脑信号，从而提高系统的控制精度。
4）提高用户体验
通过将SF集成到BCI系统中，用户可以获得更丰富的交互体验。这种多感觉的反馈形式可以增强用户的沉浸感和控制感，使得BCI操作过程更加自然和直观。
8.19 触觉反馈（HF）
触觉反馈（HF）是一种通过机械刺激提供触觉或力觉感知的技术，通常由振动、压力或其他形式的物理触感，使用户能够感知和与虚拟或远程环境进行交互。在人机交互（HCI）中，HF帮助用户获得直接的物理感知体验。
在BCI系统中，通过将感觉反馈传递给用户来增强系统的交互性和响应性，尤其是在假肢控制[261]、神经康复等领域。例如，在BCI驱动的假肢中，HF可以让用户感知虚拟或真实环境中的物体，从而实现更自然的操作[262]。
HF在BCI系统中的具体作用如下：
1）提高控制精度。通过实时HF，用户可以调节他们的脑信号输出，从而更精确地控制外部设备。
2）增强用户体验。HF提供了多感觉互动，改善了用户与BCI系统的整体交互体验。
3）促进神经康复。在康复训练中，HF可以增强神经可塑性，帮助患者更快恢复失去的功能。
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