脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（二）|bci|信号|术语|电位|神经元|脑机接口

脑-机接口（BCI）相关术语

连载(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。第一节为前言，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。

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第3节 BCI紧密相关术语

除了与BCI直接相关的术语外，我们总结了与BCI紧密相关的术语，以方便研发者查阅。本节围绕主要的几种BCI范式介绍紧密相关的术语，包括感觉运动节律脑-机接口（Sensorimotor Rhythms BCI，SMR-BCI）相关的术语、运动想象脑-机接口（Motor Imagery Based BCI，MI-BCI）相关的术语、基于认知的脑-机接口（Cognitive-Based Brain-Computer Interfaces）相关的术语、P300脑-机接口（P300-BCI）相关的术语、稳态视觉诱发电位脑-机接口（Steady-State Visual Evoked Potential based BCI，SSVEP-BCI）相关的术语、稳态听觉诱发电位脑-机接口（Steady-State Auditory Evoked Potential based Brain-Computer Interface, SSAEP-BCI）相关的术语、稳态触觉诱发电位脑-机接口（Steady-State Tactile Evoked Potential based Brain-Computer Interface, SSTEP -BCI）相关的术语、依赖性BCI（Dependent BCI）、独立性BCI（Independent BCI）、混合脑-机接口（Hybrid Brain-Computer Interface, Hybrid BCI）、同步/异步脑机接口（Asynchronous/Synchronous brain-computer interface）相关的术语以及分布式脑机接口（Distributed Brain-Computer Interface, Distributed BCI）。

3.1 感觉运动节律脑-机接口（SMR-BCI）

感觉运动节律（Sensorimotor Rhythms, SMR）是与感觉运动皮层相关的脑电活动，通常为α（8-12 Hz）和β（13-30 Hz）频段的电活动[300]。感觉运动节律（SMR）有多种诱发方式，可以通过实际运动、运动想象、尝试运动、甚至是观察他人运动（即镜像神经元系统）来诱发或调节。感觉运动节律脑-机接口（SMR-BCI）是一类基于SMR的BCI，可以包括多种形式的BCI[300] [301]。

1）运动想象BCI（MI-BCI）。主要利用运动想象引发的ERD/ERS进行控制，是SMR-BCI的一种。

2）尝试运动BCI。利用尝试运动引发的SMR变化。

3）观察运动BCI。利用观察运动引发的SMR变化。

由上可见，SMR-BCI的范畴更为广泛，还包括其他形式的BCI，不局限于运动想象BCI，MI-BCI主要利用事件相关去同步/同步（ERD/ERS）。ERD/ERS是大脑在特定事件或刺激下表现出的节律活动变化，通常与SMR相关，但不局限于SMR。例如，当个体进行运动想象（Motor Imagery, MI）或实际运动时，特定的感觉运动节律（如α或β波）会出现去同步化（ERD）或同步化（ERS）现象，即SMR活动的减少或增强。因此，ERD/ERS可以被视为SMR活动的一个表现形式。

3.1.1 尝试运动BCI（Attempted Movement based BCI）

1）尝试运动

尝试运动是指个体试图执行某个运动，但由于某些原因（如神经系统的损伤、肌肉瘫痪等），实际的运动并没有发生。尽管没有产生实际的运动，尝试运动仍然可以激活与该运动相关的脑区，如初级运动皮层，相关的SMR仍可能出现变化[303]。

尝试运动通常用于研究运动控制的神经机制，特别是在运动障碍或康复领域。它在BCI系统中有着重要的应用，如为那些不能移动肢体的患者提供控制外部设备的途径[302]。

2）尝试运动BCI

尝试运动BCI是一种基于在尝试运动时大脑产生的神经信号的BCI系统。即使由于身体残疾或神经损伤导致实际运动无法发生，尝试运动仍能引发与尝试运动相关的脑电活动。这些神经信号可以通过BCI系统进行解码，并用于控制外部设备，如轮椅、机械臂或计算机[302]。

这种BCI对于四肢瘫痪或其他严重运动障碍的患者尤为重要，因为它提供了通过大脑信号而非实际肢体动作来与外界互动的途径。

3.1.2 观察运动BCI（Movement Observation/Action Observation）

1）观察运动（Observation of Movement）

观察运动是个体观看他人执行某种动作的过程，在观察运动期间会激活个体的运动相关脑区或神经网络。在观察他人运动时，大脑中的“镜像神经元系统”会被激活[304]，这一系统包括与实际运动相关的神经元，表明观察他人运动与自己执行该运动在神经活动上具有相似性。观察运动会引起个体的SMR发生变化。

2）观察运动BCI

观察运动BCI是一种基于观察他人运动时产生的神经活动的BCI系统。在此系统中，用户通过观察他人的动作，所产生的脑电信号被解码并用于控制外部设备。这类BCI利用了大脑在观察运动时激活的运动相关区域，为那些无法执行实际运动的人提供了新的交互方式[305]。

3.2 运动想象脑-机接口（MI-BCI）相关术语

为理解MI-BCI，下面介绍与MI-BCI相关的术语，主要包括身体运动（Body Movement）、运动想象（Motor Imagery, MI）、运动想象脑-机接口（MI-BCI）、感觉运动节律（Sensorimotor Rhythms, SMR）、事件相关去同步/同步（Event-Related Desynchronization/ Synchronization, ERD/ERS）和运动相关皮层电位（Motor/Movement-Related Cortical Potentials，MRCPs）。

3.2.1 神经事件（Neural Event，NE）

神经事件（NE）是指在大脑中发生的与特定心理活动或外部刺激相关的瞬时或短时的电生理变化。NE通常由特定的实验范式诱发，涉及在神经元或神经元群体水平上发生的电生理活动或其他神经活动，可以在时间和空间上进行详细的测量与表征。

对于特定的范式诱发，在神经科学实验中，研究人员常常采用已设计好的或自己创新设计的实验范式来诱发特定的神经事件，例如事件相关电位（ERP）实验。为在时间和空间上测量与表征神经事件，可以确定它们发生的具体时间（时间分辨率）和大脑中的具体位置（空间分辨率）。文献[152-153]提供了有关神经事件的信息。

下面的身体运动、运动想象、视觉刺激、听觉刺激和触觉刺激是特定的神经事件，这些事件作用于大脑，诱发特定的神经活动。

3.2.2 身体运动（Body Movement）

身体运动是指人体通过骨骼肌的收缩和放松来实现的各种动作和活动。这些运动可以包括大范围的身体活动，从行走和跑步到更精细的手部动作[32]。身体运动主要有肢体运动（Limb Movement）、头部和颈部运动（Head and Neck Movement）、躯干运动（Trunk Movement）以及舌部和口部运动（Tongue and Oral Movement）等，如表2所示。

表2 主要的身体运动

肢体运动与身体运动有区别，肢体运动是身体运动的一部分，专指四肢（手臂和腿部）的运动，而身体运动是一个更广泛的概念，涵盖了包括肢体在内的所有身体部位的运动。身体运动中的舌部运动在言语、进食和吞咽等方面起到重要作用。通过以上介绍，可以更清晰地理解不同类型的身体运动及其在神经科学和康复中的重要性。

3.2.3 运动想象（MI）

以上身体运动是实际运动。运动想象（MI）是指在没有实际进行身体运动的情况下，通过大脑内部的想象活动，模拟自己正在进行某种运动或动作的过程。在MI过程中，大脑的运动皮层和相关区域会被激活，类似于实际执行运动时的神经活动[31] [33]。因此，运动想象被广泛用于增强运动技能的训练、帮助运动损伤后的康复[34]，以及在BCI中作为一种控制信号源[35]。

3.2.4 运动想象脑-机接口（MI-BCI）

MI-BCI是BCI的一种类型，不依赖用户实际的肌肉活动，通过分析与用户运动想象（MI）（如想象手部或脚部运动等）相关的大脑活动信号（如脑电和脑磁等）特征，如特定频带功率的变化[35]（μ波（8-13 Hz）和β波（13-30 Hz）事件相关去同步/同步和运动相关电位（Motor-Related Potentials，MRPs）[154]），以识别用户的运动想象类型以实现与计算机或外部设备的通信和控制[35] [36]。

MI-BCI系统的工作原理基于以下几点。

（1）运动想象。要求用户在不进行实际运动的情况下，想象特定的肢体动作（如手臂抬起或脚部移动等）。

（2）神经响应。运动想象会在大脑的运动皮层区域（如初级运动皮层或辅助运动区）产生类似于实际运动的神经活动，引起EEG信号中的ERD/ERS现象。

（3）信号提取。利用EEG设备记录这些想象引发的脑电活动，特别分析μ频带（8-13 Hz）和β频带（13-30 Hz）的频谱变化。

（4）特征提取。可采用频域分析、时-频分析或空间滤波等方法，从EEG信号中提取ERD/ERS特征。

（5）分类与控制。通过机器学习算法或模式识别方法，将提取的特征分类为不同的运动想象类别，并将其转化为控制命令。

（6）反馈。提供实时的视觉、听觉或触觉反馈，帮助用户调整其运动想象策略，从而提高系统的性能。

MI-BCI系统的设计与实现步骤可参考如下五个方面。

（1）任务设计。为用户设计明确的运动想象任务（如左右手运动想象），并提供相应的指令和练习，以确保大脑产生稳定的ERD/ERS响应。

（2）EEG信号采集。利用EEG设备采集大脑的电活动，通常在运动皮层区域（如C3、C4电极位置）记录信号。

（3）信号处理与特征提取。对原始EEG信号进行预处理，如滤波和去伪迹等，然后提取ERD/ERS相关的特征。

（4）分类与控制。利用线性判别分析（LDA）、支持向量机（SVM）或深度学习模型等分类算法，将运动想象信号映射到预设的指令或操作。

（5）反馈机制。通过视觉、听觉或触觉等方式向用户提供实时或即时反馈，帮助其调整运动想象策略。

文献[35] [37-38]详细讨论了MI-BCI的原理、设计与实现方法，以及在实际应用中的挑战和可能的解决方案。

3.2.5 感觉运动节律（SMR）

SMR是指大脑感觉运动皮层区域的特定频率范围内的电活动，主要包括μ节律（8-13 Hz）和β节律（13-30 Hz）。这些节律与感觉运动活动、运动准备、运动执行以及运动想象等过程密切相关。

其中μ节律是一种在安静状态下，特别是在运动抑制和运动想象期间观察到的8-13 Hz的脑电节律。这种节律通常在中央区（C3和C4区域）最为明显。μ节律在运动或运动想象期间会被抑制，这种现象被称为μ节律去同步（Mu Suppression），去同步程度可以反映运动准备和执行的活跃程度[39]。

其中β节律是一种频率在13-30 Hz之间的脑电节律，通常与运动准备和运动执行过程中的认知活动相关。在运动准备和运动执行期间，β节律可能会出现增强或抑制（同步/去同步）。β节律的变化可以反映运动控制和协调的程度[40]。

感觉运动节律，特别是μ节律和β节律被广泛用于BCI系统中，作为用户意图识别和设备控制的信号源，如利用μ节律去同步控制光标和假肢等[41]。μ节律还可以用于帮助中风、脊髓损伤等患者进行神经康复训练，如利用运动想象结合感觉运动节律训练，促进大脑功能重塑和运动功能恢复[9]。

3.2.6 事件相关去同步/同步（ERD/ERS）

（1）事件相关去同步（ERD）

ERD是指在特定事件（event）或任务（如实际运动或想象运动等）期间引起的大脑电活动中，特定频带（通常是α和β频带等）的功率与基线状态相应频带的功率相比，呈现出减弱的去同步现象或状态。ERD通常与大脑区域的活跃性增强相关，例如执行运动或认知任务期间[42]。

（2）事件相关同步（ERS）

ERS是指在特定事件（event）或任务（如实际运动或想象运动等）期间引起的大脑电活动中，特定频带（通常是α和β频带等）的功率与基线状态相应频带的功率相比，呈现出增强的同步现象或状态。ERS通常反映了在执行任务或加工信息过程中大脑区域的协调性增强[40]。在某些情况下，ERS也可能与大脑区域的活跃性抑制相关。

需要补充说明的是，ERD和ERS分别反映了大脑不同状态下的电活动变化。当大脑区域变得活跃时，特别是在运动或认知任务期间，神经元的活动会导致频带（如α和β频带）的去同步化，即发生ERD现象，表明这些区域正在进行信息处理[43]。与ERD现象相比，ERS现象通常发生在任务完成或某些特定认知状态下，反映了大脑区域的重新同步化，这可能表示这些区域正在恢复基线状态或反映了某些区域之间的协调活动增强[44]。Pfurtscheller等人[XX] 研究了手部运动相关的μ节律去同步化，发现运动任务会导致μ节律显著去同步化。Neuper等人[XX]详细探讨了不同频带的事件相关同步化和去同步化的特征及其功能相关性。

可由式（1）计算ERD/ERS，式中A为特定事件或任务期间的α或β频带功率，R为特定事件或任务前基线期间相应频带功率，“/”表示或的关系。

在BCI研发中，ERD和ERS作为EEG信号特征被广泛用于识别意图和提取控制信号，特别是在MI-BCI中。在神经科学研究中，ERD和ERS提供了对大脑功能活动的动态理解，对于认知神经科学和运动控制等领域的研究具有重要意义。在临床应用中，通过分析ERD和ERS可以帮助评估神经系统功能状态，以及设计个性化的神经反馈治疗方案。

文献[40]和[42]提供了对ERD和ERS基本原理的深入探讨，有助于理解这些现象在BCI研发、神经科学研究和临床应用中的重要性和应用价值。

3.2.7 运动相关皮层电位（MRCPs）

MRCPs 是指在自愿运动任务准备和执行过程中，由大脑皮层产生的一系列特定的电活动。这些电位包括准备电位（Bereitschaftspotential, BP）、运动执行电位（Motor Execution Potential, MEP）以及运动后电位（Post-Movement Potentials，PMP）。

（1）准备电位（BP）

BP是在自愿运动（Voluntary movements）开始前数百毫秒在额叶和运动皮层记录到的逐渐增加的缓慢负电位变化，反映了大脑为即将进行的运动做准备的过程，主要出现在中央区（Cz）和对侧运动区[45]。BP可以进一步分为早期成分（BP1）和晚期成分（BP2），BP1反映了运动准备的初始阶段，而BP2反映了具体运动计划的形成[46]。

（2）初级运动电位（Primary Motor Potential, PMP）

PMP通常是指在运动开始瞬间出现的短暂负电位，通常在运动皮层和初级运动区观察到，与实际运动的执行直接相关[47]。这种电位变化标志着运动指令的初步生成和传递，反映了运动神经元的早期活动。PMP与运动启动的早期阶段直接相关，主要关注大脑如何生成并开始执行运动指令，其研究通常集中在运动指令的准备和最初传递阶段[47]。

（3）运动执行电位（MEP）

MEP是指在实际运动开始时或运动执行过程中记录到的电位变化，通常表现为负电位，这些电位反映了运动执行过程中大脑的持续神经活动。MEP通常与实际的运动执行阶段相关，反映了神经系统如何在运动的实际发生时保持并调控运动指令。MEP更多关注在运动执行阶段的大脑活动，尤其是如何实现和维持精确运动[45]。

PMP和MEP并不是完全相同的概念，但在一些研究背景中，它们可能会有重叠。PMP可以被视为MEP的一部分，尤其是在研究运动启动的早期阶段时。但在严格的定义下，它们反映了运动过程中不同的时间点和神经活动阶段。PMP 更偏向于运动准备和启动阶段的初始电位活动，通常描述的是运动指令生成的早期过程。MEP 则更偏向于运动实际执行过程中的神经活动，描述的是运动指令在执行阶段的电位变化。

（4）运动后电位（PMP）

PMP是在运动结束后出现的电位变化，通常表现为正电位，这些电位反映了运动执行后的神经反馈和修正过程[48]。

MRCPs在神经科学和BCI研究中具有重要意义，因为它们可以揭示运动准备和执行的神经机制。MRCPs的分析可以帮助我们理解大脑如何计划和执行运动，如何进行运动控制和反馈调整。文献[45] [46] [48]为MRCPs的定义和研究提供了理论基础和实验依据。

除了MRCPs，在BCI文献中也会出现运动相关电位（Motor/Movement-Related Potentials, MRPs）。运动相关电位 (MRPs) 和运动相关皮层电位 (MRCPs) 在具体应用和研究重点上有一些细微的差别。MRPs泛指所有与运动相关的电活动，包括运动准备、计划、执行和反馈等过程，这一术语可以涵盖从大脑皮层到脊髓的各种电活动。在研究中，MRPs可以用于描述从大脑皮层到肌肉之间的任何运动相关的神经电活动。MRCPs专门指由大脑皮层记录到的与运动相关的电活动，特别用于描述大脑皮层在运动任务准备和执行期间的电活动。

MRPs也被广泛应用于BCI中，作为解码运动意图和控制信号的关键特征。在运动神经科学中MRPs有助于理解运动准备、计划和执行的神经机制。在康复治疗中MRPs的分析可以用于评估运动功能和设计康复训练方案，特别是在中风和运动障碍患者的康复中。

运动相关电位（MRPs）/运动相关皮层电位（MRCPs）通常由脑电图（EEG）从大脑皮层记录的，特别是在与运动功能相关的皮层区域，如初级运动皮层（Primary Motor Cortex, M1）、前运动区（Premotor Cortex）、辅助运动区（Supplementary Motor Area, SMA），以及运动相关的顶叶和前额叶区域。这些脑区的位置和作用如表3所示。文献[45] [49-50]可以帮助深入理解 MRPs/ MRCPs 的记录部位及其与大脑运动功能区域的关系。

表3记录MRPs/ MRCPs的脑区位置和作用

3.3 基于认知的脑-机接口（Cognitive-Based Brain-Computer Interfaces）

基于认知的脑-机接口（Cognitive-Based BCI）是一种利用与认知过程相关的脑信号来控制外部设备的技术。这种BCI系统依赖于用户的注意力、记忆、决策、语言处理等高级脑功能。基于认知的BCI可以解码复杂的认知活动，用于意念交流、控制计算机、辅助认知训练和康复，在医疗康复、增强现实和人机交互领域有广泛的应用前景[269]。

基于认知的脑-机接口涉及的主要脑区如下[270]。

1）前额叶皮层（Prefrontal Cortex）。与决策、计划、工作记忆和执行功能有关。

2）顶叶皮层（Parietal Cortex）。参与空间注意、感知和处理感觉信息。

3）颞叶皮层（Temporal Cortex）。与语言处理、听觉和视觉记忆有关。

4）海马体（Hippocampus）。在记忆形成与检索中起关键作用。

与特定认知事件相关的脑电活动变化（事件相关电位），常用于认知BCI的信号提取。注意力解码（Attention Decoding）可用于控制BCI系统。在任务执行中保持和操作信息的认知过程（工作记忆）常与BCI任务结合。此外，P300常用于基于注意力的BCI系统。

3.3.1认知（Cognition）

认知是大脑通过感知、记忆、推理、决策等过程来获取、处理、存储和利用信息的能力，包括意识、注意、学习、记忆、判断、问题求解和语言等多种心理功能[271]。

在基于认知的BCI系统中，认知过程的监测和解码是关键，可通过识别用户的认知状态（如注意力、工作记忆负荷和情感状态等）来实现更为智能和自适应的交互。这些系统有可能用于提升学习效率、情绪调节，以及在残障人士的辅助设备中实现更自然的控制[6] [29]。

3.3.2 认知过程（Cognitive Processes）

认知过程是指大脑进行信息加工的一系列步骤，包括感知（perception）、注意（attention）、记忆（memory）、语言（language）、推理（reasoning）和决策（decision-making）等。这些过程构成了个体理解、学习和互动的基础[272]。

在基于认知的BCI系统中，认知过程的精确解码可能有多种潜在应用，例如通过检测用户的注意力水平来优化学习环境，或通过识别决策过程中的脑活动模式来控制外部设备。这些应用拓展了BCI在教育、医疗、娱乐等领域的潜力[273]。

3.3.3 BCI误差检测原理

在BCI系统中，误差检测（Error Detection）是通过监测用户在执行任务时对自身错误的感知来提取相关脑信号。这些信号通常表现为与认知冲突、错误意识或决策不确定性相关的事件相关电位（ERPs），即错误相关电位（Error-related potentials，ErrPs），包括错误相关负波（Error-Related Negativity, ERN）和错误相关正波（Error-Related Positivity, Pe）[ED01]。文献[274-275]提供了错误相关电位（Error-related potentials，ErrPs）在BCI中的应用。

3.3.3.1 错误相关电位（Error-related potentials，ErrPs）

错误相关电位（ErrPs）是一类与错误意识或认知冲突相关的事件相关电位（ERPs），在个体意识到自己的行为或决策错误时，在大脑中产生的电活动。主要包括错误相关负波（ERN）和错误相关正波（Pe）。这些电位通常在额叶皮层（特别是前扣带皮层）出现，用于反映大脑对错误的快速反应和处理[274-275]。（要是能够插入错误相关电位的波形图展示，并高度概括阐述在BCI系统中如何利用ErrPs提高系统性能）

1）错误相关负波（ERN）

当用户意识到自己犯错时，在额叶皮层（如前扣带皮层）产生的快速电位变化。通常在错误发生后50-100毫秒内出现。

2）错误相关正波（Pe）

与错误意识的后续处理相关，通常在ERN之后出现。

3.3.3.2 BCI误差检测原理应用

1）实时错误检测与反馈

ErrPs，特别是ERN和Pe，可用于实时检测用户在使用BCI系统时的错误操作，并自动纠正系统错误，或为用户提供即时反馈，帮助他们调整操作策略。基于ErrPs有可能为BCI系统建立数学模型，对BCI系统进行分析和设计[276]。

2）个性化用户训练

在BCI训练过程中，ErrPs信号可用于监测用户的学习进展，提供反馈和个性化的训练方案，帮助用户更快地学习和适应BCI系统，通过反复练习减少错误，逐步提高操作的熟练度[277]。

3）闭环调节以提高BCI系统的准确性

可把ErrPs集成到闭环BCI系统中，以识别用户何时意识到错误，实时调整BCI系统的参数，如优化信号处理和决策算法，减少误操作，提高系统的准确性和响应速度。例如，当检测到用户意识到错误时，系统可以重新校准信号或调整任务难度。

4）增强用户体验

通过实时识别和纠正用户错误，减少误操作，提高用户对系统的控制感和满意度。

3.4 P300脑-机接口（P300-BCI）相关术语

3.4.1 反常范式/奇异刺激范式（Oddball Paradigm）

Oddball范式是一种经典的实验范式，广泛应用于实验心理学和认知神经科学领域。它主要用于研究人类对反常/奇异刺激的注意力反应和信息加工过程。在这种范式中，受试者通常会被呈现一系列的刺激，其中大多数是“标准”刺激，而少数是“反常”或“奇异”刺激（也称为“目标/靶（Target）”刺激）。

Oddball范式的原理是，由于反常/奇异刺激（出现概率较小的刺激）在频繁的标准刺激（出现概率较大的刺激）中较少出现，它能够引发强烈的注意力集中和显著的神经反应，如P300波。

在Oddball范式的设计中，标准刺激与反常/目标刺激的比例通常遵循：标准刺激出现的概率一般占 80% 左右，反常或目标刺激一般占 20% 左右。这个比例并不是绝对固定的，具体的比例可以根据实验设计的需要进行调整。然而，标准刺激通常占多数，而目标刺激则相对较少，以便产生“反常”效应，从而引发显著的注意力反应和相关的脑电活动（如P300成分）。

在Oddball范式实验中，受试者通常被要求识别或对反常刺激做出反应。P300-BCI常用此范式，利用反常刺激诱发P300反应来进行信号解码。有关Oddball范式的定义、原理、实验设计和实现方法可参考文献 [76-77]。

BCI范式的创新设计是BCI研发的关键和重要内容之一，如何创新设计BCI范式？其中一个可行或有效方法是借鉴实验心理学的经典和最新实验范式。实验心理学中的范式涉及认知、感知、记忆和注意力等方面，主要有Go/No-Go Paradigm （执行/抑制范式）[78-79]、Stop-Signal Paradigm （停止-信号范式）[80]、N-Back Paradigm （N-返/回溯任务范式）[81]、Stroop Paradigm（斯特鲁普效应/颜色命名-词汇干扰范式）[82]、Simon Paradigm（西蒙效应/空间一致性任务）[83]、Flanker Paradigm（侧翼抑制干扰任务范式）[84]、Posner Cueing Paradigm（Posner注意线索范式）[85]、Dual-Task Paradigm（双重任务范式）[86]和Memory Span Paradigm（记忆跨度/范围范式）[87]等。表4给出了这些实验范式的简要说明和可能用于BCI。

表4 实验心理学中的一些范式

上表4中的实验心理学范式为BCI范式的创新提供了丰富的设计思路。在设计新的BCI系统时，可以根据具体的应用场景选择合适的实验范式，并将其与BCI技术相结合，开发出功能强大且用户友好的BCI系统。

3.4.2 P300

P300是一种事件相关电位（ERP）[54]，通常在特定认知任务/事件中作为对刺激反应的潜伏期成分出现。P300成分通常在目标刺激后约300毫秒处达到峰值[88]，因此得名P300[76]。P300主要与注意力分配和工作记忆更新过程有关。

P300的产生与大脑对目标刺激（通常为反常/奇异的刺激）的注意力加工和认知评估过程密切相关。当个体在一系列刺激中检测到与预期不符的反常目标刺激时，大脑会产生P300成分[88]。其振幅通常反映了个体对刺激的认知资源分配量，而潜伏期则与信息加工速度相关。

最常用的诱发P300的范式是Oddball范式[89]。在该范式中，受试者需要区分两种不同频率出现的刺激，其中一种刺激（标准刺激）出现频率较高，另一种（目标刺激）出现频率较低。当出现目标刺激时，个体的注意力被调动，从而产生P300成分。

除此而外，Go/No-Go范式要求受试者对某些刺激作出反应（Go刺激），而对其他刺激则不作反应（No-Go刺激）[78]。当受试者成功抑制了对No-Go刺激的反应时，P300会随之产生。另外，Two-Choice Discrimination Tasks（二选一辨别任务）要求受试者对呈现的刺激进行辨别和分类，并选择相应的反应方式，此过程中，目标刺激会引发P300。

对于P300，可通过以下步骤实现记录

（1）实验设计。选择适合的P300诱发范式（如Oddball范式），并确定标准和目标刺激的类型（可以是视觉、听觉或触觉刺激等）、频率和呈现顺序。

（2）设备准备。使用高密度电极帽（如EEG）记录大脑电活动。通常，电极放置在头皮的中央顶区（如Cz、Pz等）区域，以便捕捉到P300的最大振幅。

（3）数据收集。在实验过程中，要求受试者注视计算机屏幕上的刺激或聆听音频刺激等，同时EEG系统实时记录大脑反应。

（4）数据分析。为提取事件相关电位（ERP），由锁时目标刺激的出现，计算在刺激后300毫秒附近的电位变化，即P300。

3.4.3 P300脑-机接口（P300-BCI）

基于P300的BCI（P300-BCI）是一种利用大脑产生的P300事件相关电位（ERP）来实现人脑与外部设备之间直接通信的系统[90]。P300-BCI通常通过检测用户对特定刺激的注意力反应，来识别用户的意图，并将其转化为设备的控制信号[76]。

P300-BCI的核心原理（科学原理/神经科学原理）是利用P300事件相关电位，通常通过Oddball范式等经典实验设计诱发[89]。当用户在一系列快速呈现的刺激中识别出目标刺激时，P300电位会在刺激出现后约300毫秒达到峰值[88]。P300-BCI系统通过监测这一电位变化来解码用户的选择。

P300-BCI系统的实现可以通过以下步骤[76]。

（1）界面设计。

P300-BCI的界面通常由一个网格状布局的字符或图标组成，例如用于拼写的字符表（如P300 Speller）。每个字符或图标以不同的频率随机闪烁。

（2）刺激呈现。

系统依次以特定频率闪烁字符或图标。目标刺激和非目标刺激交替出现，要求用户集中注意力在目标刺激上。每当目标字符或图标闪烁时，大脑会产生P300电位。（操控BCI，要求用户主动集中注意力在目标刺激上，不是被动接收刺激）

（3）数据采集。

可通过头皮电极记录EEG信号，在顶叶和中央顶叶区域（如Cz、Pz）可以捕捉P300的最大振幅。（可采用通道选择算法寻找P300最大振幅的通道）

（4）数据处理。

包括信号预处理、特征提取和分类器训练与预测。首先对脑信号进行预处理，例如，对EEG信号滤波和去噪，并标记与刺激事件相对应的时间窗口。然后提取特征，从预处理后的信号中提取与目标刺激相关的P300成分，如采用主成分分析（PCA）或独立成分分析（ICA）等方法。最后，训练分类器并预测，采用分类算法（如支持向量机SVM、线性判别分析LDA等）训练模型，以区分目标和非目标刺激的P300反应。训练后的模型用于实时预测用户的选择。（BCI的数学模型主要体现在这一部分）

（5）输出与控制。

基于分类器的输出，P300-BCI系统实时识别用户的意图，将其转化为实际操作（如选择字符、控制设备），并实时反馈给受试者或用户，受试者根据操作结果修正所选的目标刺激。（闭环BCI系统的数学模型包括实时在线神经反馈环节；在BCI系统中，受试者接收在线反馈并主动调节心理策略，如改变运动想象方式，重新选择刺激目标等。）

P300-BCI具有潜在的应用，尤其可用于残障人士的辅助设备中，如通过P300 Speller实现脑控文字输入。

注：由于第3节内容比较多，因此第3节内容分两次发布。

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