促進大腦實時控制裝置的途徑

摘要：研究人員調查大腦區域的同步性，以協助控制腦機介面。

來源：巴塞隆納UPF

幾十年前，將大腦與電腦連接，將神經信號轉換為具體行動的可能性，聽起來像是科幻小說中的情節。

但近年來，在這方面已經取得了一些科學進展，通過所謂的BCI（腦-電腦介面），建立了人腦與電腦之間的通信橋樑。

巴塞隆納UPF的一項最新研究繼續在這個方向上推進，並對實現這一神經科學里程碑作出了新的貢獻。

UPF大腦與認知中心（CBC）的研究結果於2月7日發表在期刊《eNeuro》上，標題為“長距離α同步作為BCI的控制信號：可行性研究”，由馬丁·埃斯帕爾薩-伊亞佐（Martín Esparza-Iaizzo，UPF和倫敦大學學院）、薩爾瓦多·索托-法拉科（Salvador Soto-Faraco，UPF和ICREA）、艾琳·維古-吉克斯（Irene Vigué-Guix，UPF）、米雷亞·托拉爾巴·奎略（Mireia Torralba Cuello，UPF）和曼努埃拉·魯佐利（Manuela Ruzzoli，巴斯克認知、大腦和語言中心）共同撰寫。

當前神經科學的一個主要挑戰是識別足夠穩定的大腦信號，以便實時控制設備。神經科學家已經實現了可以僅通過一個或多個大腦區域的活動來控制的設備。

然而，目前尚無法通過不同大腦區域之間的通信和同步來實現這一點。《eNeuro》發表的文章對於實現這一目標作出了重要貢獻。

視覺空間注意任務中的大腦活動

這項研究基於對10名參與者在視覺空間注意任務中進行的分析，每個參與者進行了多達200次測量，並依賴於交叉側性概念：我們在視覺場的右側看到的東西在大腦的左半球中表示，反之亦然，左側看到的東西在右半球中表示。

當我們觀察的圖像在某個半球中表示時，稱為α波段的大腦信號水平會下降。研究人員將α波段水平的變化與秤上的重物進行比較。正是負重較多的一側，秤盤會下降得更低，而負重較少的一側則會向上翹起。

α波段的水平也是如此：當圖像在某一側的半球中表示時，該半球的α波段水平會下降得最多，而在對側半球則會上升。需要注意的是，α波段會抑制神經元的興奮性，因此會導致神經元群體的放鬆狀態。因此，該半球的水平較低並不奇怪。

還需要指出的是，大腦分為不同的區域，這些區域通過同步神經波動來進行通信，例如在α波段中。研究的目標之一是分析α波段在大腦區域之間的長距離同步是否呈現側化模式，這一點已經得到了研究作者的確認。

具體來說，如果我們注意右側，則左半球的額葉和頂葉區域之間的通信會增加；如果我們注意左側，則右半球的這些區域之間的通信會增加。

到目前為止，α波段信號只能通過不同測量數據的聚合來完全捕捉，而不能通過單次試驗來捕捉。因此，這項研究的另一個目標正是檢查如何在單次測試中捕捉這些神經模式，這將允許生成控制信號，以通過腦-電腦介面實時啟動設備。

為了實現這一目標，主要研究者馬丁·埃斯帕爾薩-伊亞佐解釋說，他的研究從方法論的角度作出了貢獻：“這項研究的新穎之處在於，與之前的研究不同，它使用了每個單獨試驗中額葉和頂葉區域之間的同步測量，而不是聚合數據。”

然而，他警告說，當前腦電圖在實現這一目標方面存在一些限制：

“當前的腦電圖在空間解析度和噪音方面存在限制，例如呼吸、心臟活動等。”

然而，這項研究的發現為未來的研究提供了良好的基礎。在這方面，埃斯帕爾薩-伊亞佐總結道：“我們的研究展示了一種良好的方法論，證明目前為止，同步性無法進入實時操作系統的世界。我們希望這能成為未來嘗試的範例。”

關於這項神經科技研究新聞

作者：新聞辦公室來源：巴塞隆納UPF聯絡：新聞辦公室 – 巴塞隆納UPF圖片：該圖片為公有領域

原始研究：封閉訪問。“長距離α同步作為BCI的控制信號：可行性研究”由馬丁·埃斯帕爾薩-伊亞佐等人撰寫，發表於《eNeuro》

摘要

長距離α同步作為BCI的控制信號：可行性研究

空間注意的變化與α波段（α，8–14 Hz）活動的變化相關，特別是在半球間的不平衡。這一機制被歸因於局部α同步，該同步調節神經興奮性的局部抑制，以及反映長距離通信的額頂同步。

這一神經相關的方向性特徵突顯了其作為腦-電腦介面（BCI）控制信號的潛力。在本研究中，我們探討了長距離α同步是否呈現依賴於自願注意定向的側化模式，以及這些神經模式是否可以在單次試驗層面上被捕捉，以提供主動BCI的控制信號。我們在健康成人（n = 10）執行隱蔽視覺空間注意（CVSA）任務時收集了腦電圖（EEG）數據。

數據顯示，在目標呈現後，額葉和頂後區域之間的α波段相位耦合呈現側化模式，重複了先前的發現。然而，這一模式在提示到目標的定向間隔中並不明顯，這是BCI的理想時間窗口。此外，從提示鎖定的同步中逐次解碼注意方向的支持向量機（SVM）達到了隨機水平。

目前的發現表明，EEG可能無法在單次試驗基礎上檢測到注意定向中的長距離α同步，因此突顯了這一指標作為BCI控制可靠信號的局限性。