脑-机接口（BCI）相关术语
连载(十)
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）
第7节 用于BCI的脑组织血氧水平记录相关术语
本节列出了用于BCI的脑组织血氧水平记录相关术语，包括脑组织代谢血氧水平信号、神经血管耦合（Neurovascular Coupling, NVC）、功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）和功能近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）
7.1 脑组织代谢血氧水平信号（本节前言）
脑血管记录通常指利用成像技术记录和监测大脑血管活动，如血流速度和血氧浓度，这些脑血管活动的信号能够间接反映大脑活动，可以用来监测大脑的状态或识别意图，从而实现对外部设备的控制。例如，fNIRS技术可以通过检测大脑不同区域的血氧变化来推断用户的认知状态或任务执行情况，这种技术可以结合EEG等其他信号，增强BCI系统的鲁棒性和精度。
7.2 神经血管耦合（NVC）
神经血管耦合（NVC）是大脑神经活动与局部血流量变化之间的联系。当神经元活动增加时，附近的血管会扩张，以提供更多的氧气和营养，这一过程称为NVC。NVC 是脑功能成像（如fMRI和fNIRS）的基础，因为这些技术依赖于检测大脑局部血流和血氧水平的变化来推断神经活动[205-206]。
在BCI领域，可利用NVC间接监测和解码大脑活动。通过测量脑血流的变化，如利用fNIRS，BCI 系统可以识别用户的意图或状态，从而实现对设备的控制。因此，理解和利用 NVC 是开发基于血流信号的 BCI 系统的关键。
7.2.1 血氧水平依赖（Blood Oxygen Level Dependent, BOLD）
血氧水平依赖（BOLD）是一种功能性磁共振成像（fMRI）的信号，基于血氧水平的变化来间接测量脑部神经活动。当神经元活动增加时，局部血流量和氧合血红蛋白浓度增加，导致脱氧血红蛋白（HbR）浓度相对减少，从而影响 fMRI 信号强度。BOLD 信号是 fMRI 的主要原理，用于识别大脑中活跃的区域。关于BOLD的一些信息可以参考文献[207-209]。
在BCI中，BOLD 信号可用于识别大脑的活动模式，实现神经反馈训练等。然而，由于 BOLD 信号的时间分辨率较低（通常为数秒），它在实时或快速响应的 BCI 系统中应用较为有限。研究者们正在探索结合其他技术（如 EEG）以弥补这一局限，使其在 BCI 领域中具有更广泛的应用前景[73，第21章]。
7.2.2 脑血流（Cerebral Blood Flow, CBF）
脑血流（CBF）是流经大脑各个区域的血液量，通常以每100克脑组织每分钟血流量毫升（mL/min/100g）为单位。CBF 是维持脑组织代谢和功能的关键因素，供应氧气和营养物质，并清除代谢废物。CBF 的调节与神经活动紧密相关，通过NVC机制，血流量会在特定脑区神经活动增加时自动增加，以满足代谢需求。关于CBF的一些信息可以参考文献[210-211]。
CBF 的变化可以作为BCI解码大脑活动的重要信号。例如，可通过功能性近红外光谱（fNIRS）和功能性磁共振成像（fMRI）等技术监测 CBF 的变化，以帮助识别和解释用户的脑活动模式，从而实现对设备或系统的控制。由于 CBF 反映了大脑特定区域的活动状态，理解并利用 CBF有助于提升BCI 系统解码的准确性和系统的有效性[73，第21章]。
7.2.3 脑血容量（Cerebral Blood Volume, CBV）
脑血容量（CBV）是在特定时间点大脑组织中的血液总量，通常以每100克脑组织内血流量毫升（mL/100g）为单位。CBV 是CBF的组成部分，与大脑血管的扩张和收缩密切相关，反映了脑血管的容纳能力和脑组织的灌注状态。关于CBV的一些信息可以参考文献 [212] [213]。
CBV 的变化有可能用于BCI识别大脑活动模式。例如，功能性磁共振成像（fMRI）技术可以通过检测BOLD信号，间接测量 CBV 的变化，从而帮助识别用户的脑活动。
7.2.4 血管反应性（Vascular Reactivity）
血管反应性是血管对各种生理或药理刺激的反应能力，可通过观察血管口径的变化来测量。这种反应性反映了血管调节和自我调节的功能，特别是在二氧化碳（CO₂）、氧气、药物或神经性刺激时的反应。关于血管反应性的一些信息可以参考文献[214-216]。
血管反应性与CBF和CBV密切相关。高效的血管反应性可以确保脑组织在神经活动增加时获得充足的血液供应，这对于基于功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）的BCI系统尤为重要。这些系统通过监测血液动力学的变化来识别用户的脑活动，因此，了解和评估血管反应性有助于提高BCI系统的准确性和稳定性。
7.3 功能性磁共振成像（fMRI）
功能性磁共振成像（fMRI）是一种用于测量和绘制大脑活动的成像技术。fMRI通过检测血氧水平依赖（Blood Oxygen Level Dependent, BOLD）信号来间接反映神经元活动。BOLD信号与脑血流和脑血容量的变化有关。
fMRI的空间分辨率通常在1-3毫米范围内，这意味着fMRI能够以每像素1-3毫米的精度检测大脑活动。fMRI的时间分辨率相对较低，通常在1-2秒的范围内，这是由于BOLD信号的特性以及扫描过程中每个体素的成像速度限制。文献[206]对fMRI的能力及其局限性进行了详尽讨论，包括fMRI的分辨率及其在大脑研究中的应用；文献[217]回顾了fMRI的发展历程，并探讨了其在认知神经科学和BCI领域的应用。
fMRI可用于BCI系统研发的前期阶段，尤其是在探索与特定任务或状态关联的功能脑区方面，有助于设计与这些功能脑区活动相关的BCI系统。例如，在运动想象任务中，fMRI可以帮助定位与运动控制相关的脑区，用于BCI的信号获取。
7.3.1静息态功能连接（Resting-State Functional Connectivity, RSFC）
静息态功能连接（RSFC）是大脑处于静息状态（即没有执行特定任务）时，不同脑区之间自发神经活动的同步性。通过分析功能性磁共振成像（fMRI）等技术获得的大脑活动数据，研究人员可以识别出在静息态下协同工作的脑区网络。这些网络反映了大脑的内在组织和功能结构，揭示了大脑在无特定任务时的基本信息处理方式。关于RSFC的一些信息可以参考文献[218-220]。
RSFC可用于理解和利用大脑的自然功能连接网络，尤其是在设计有空闲状态或不依赖任务的BCI系统时。例如，RSFC有助于研发适应用户个体差异的BCI系统，通过识别静息态下的功能网络，提高脑信号解码的准确性。利用RSFC，可以识别出特定的神经网络，以便在不需用户执行复杂任务的情况下进行BCI操作。
7.3.2 任务态功能连接
7.3.3静息态功能性磁共振成像（Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging, rs-fMRI）
静息态功能性磁共振成像（rs-fMRI）是受试者在清醒放松、无任务和外部刺激的状态下测量大脑自发的血氧水平变化（BOLD信号），静息态时间通常在5到15分钟之间，这个时间范围允许获得足够的静息态脑活动数据，以便有效分析大脑的自发活动和功能连接性。rs-fMRI通过监测大脑血流的变化来分析脑区之间的功能连接性，揭示大脑在静息状态下的网络活动和功能组织。
rs-fMRI 提供的信息对于理解大脑在没有外部任务时的功能网络非常重要，这有助于改进BCI系统，特别是在个性化BCI的开发中。理解静息态功能网络有助于设计更加适应用户自然脑活动的BCI系统。此外，rs-fMRI可以用于评估BCI训练过程中的大脑网络变化，从而优化BCI系统的训练和评估策略。
文献[219]讨论了静息态fMRI在发现人脑功能网络中的应用，为理解静息态功能性成像提供了重要的信息；文献[218]评述了静息态脑活动的自然波动和相关功能网络的研究，对BCI系统的应用和发展提供了重要参考。
7.3.4任务态功能性磁共振成像（Task-based fMRI, Task-fMRI）
任务态功能性磁共振成像（Task-fMRI）是功能性磁共振成像技术在受试者执行特定任务时测量大脑活动的过程。通过监测大脑在特定认知任务（如记忆、语言、视觉、听觉或运动等任务）期间的BOLD信号变化，Task-fMRI能够识别与任务相关的激活脑区。这种方法用于揭示大脑在执行特定任务时如何协调工作，可以为认知和神经科学研究提供详细的功能性脑图谱。关于Task-fMRI的一些信息可以参考文献[221-223]。
Task-fMRI提供了受试者在执行特定任务时大脑如何协调资源的深刻见解。通过Task-fMRI数据，研究人员可以研发针对特定任务的BCI系统，例如，通过理解与运动相关的脑区激活以指导设计基于运动想象的BCI[73，第21章]。
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