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導(dǎo)    語(yǔ)

近日，南方科技大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種高效的可穿戴腦機(jī)接口（BCI）系統(tǒng)，利用單通道腦電圖（EEG）和實(shí)時(shí)神經(jīng)反饋等方法，評(píng)估不同注意力狀態(tài)下大腦活動(dòng)的變化，從而為注意力障礙的治療提供新的解決方案。通過對(duì)20名健康受試者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間注意力調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在提升注意力調(diào)節(jié)能力方面的有效性。相關(guān)成果已發(fā)表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》。

1、研究背景

注意力調(diào)節(jié)在日常生活中非常重要，它不僅影響學(xué)習(xí)和工作效率，還與心理健康密切相關(guān)。近年來，基于腦機(jī)接口（BCI）系統(tǒng)的注意力調(diào)節(jié)已取得初步成果，但大多數(shù)系統(tǒng)依賴于笨重且昂貴的設(shè)備，且主要處于實(shí)驗(yàn)階段。隨著注意力障礙的日益普遍，開發(fā)有效的注意力調(diào)節(jié)方法顯得尤為重要。

2、研究概述

基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測(cè)和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測(cè)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)。

該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可穿戴的基于單通道腦電圖（EEG）的BCI系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)注意力調(diào)節(jié)和認(rèn)知監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)中，20名健康受試者參加了長(zhǎng)時(shí)間的注意力調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組在調(diào)節(jié)過程中通過EEG數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收神經(jīng)反饋。通過基線評(píng)估驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，包括多通道EEG數(shù)據(jù)分析和認(rèn)知行為評(píng)估。

使用自主研發(fā)的具有無線傳輸和干電極的可穿戴頭帶采集前額EEG數(shù)據(jù)。頭帶包含1個(gè)EEG通道和2個(gè)參考電極，重量約65g，采樣率為250Hz，阻抗低于5kΩ，便于減少準(zhǔn)備時(shí)間與不適感，提升調(diào)節(jié)有效性。基線評(píng)估時(shí)，多通道EEG數(shù)據(jù)通過NuAmps放大器采集，采樣率為250Hz，使用32通道的腦電帽。

健康受試者分為兩組，每組10人，試驗(yàn)方案包括2個(gè)基線評(píng)估（前/后調(diào)節(jié)）和10次調(diào)節(jié)會(huì)話。實(shí)驗(yàn)持續(xù)4周，每周3次。每位受試者在調(diào)節(jié)前后進(jìn)行基線評(píng)估，記錄多通道EEG數(shù)據(jù)并進(jìn)行持續(xù)注意反應(yīng)任務(wù)(SART)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，以比較調(diào)節(jié)前后的神經(jīng)模式和認(rèn)知反應(yīng)差異。

基線評(píng)估：如圖1(b)所示，每名被試共進(jìn)行了20次實(shí)驗(yàn)，分為10次注意任務(wù)和10次非注意任務(wù)。每次試次以3s的指導(dǎo)語(yǔ)開始，提示接下來的任務(wù)類型。注意任務(wù)要求受試者進(jìn)行連續(xù)減3的心算，非注意任務(wù)則顯示注視點(diǎn)“+”。

圖1(a)實(shí)驗(yàn)為2次基線評(píng)估和10次注意調(diào)節(jié)(b)EEG評(píng)估過程中受試者的示例圖像。

（圖片來自論文）

注意力調(diào)節(jié)：如圖2(a)所示，受試者佩戴頭帶，在實(shí)時(shí)反饋下，BCI系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并記錄其注意力水平。受試者根據(jù)提示和反饋調(diào)節(jié)注意力，注意任務(wù)要求保持較高注意力曲線，非注意任務(wù)則保持較低曲線?？刂平M未提供反饋，執(zhí)行心算等相同策略。每個(gè)調(diào)節(jié)階段包含20個(gè)試次，任務(wù)隨機(jī)呈現(xiàn)，每次持續(xù)60s，間隔休息10s。

圖2 (a)被試通過在線反饋調(diào)節(jié)其注意力。(b)注意調(diào)節(jié)過程在線神經(jīng)反饋的GUI。

本研究使用的頭帶裝置的外觀(下)。（圖片來自論文）

數(shù)據(jù)分析：研究通過評(píng)估中采集的多通道EEG數(shù)據(jù)，使用相位鎖定值（PLV）構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)，以測(cè)量腦區(qū)間的非線性同步。PLV用于計(jì)算兩個(gè)電極之間的相位同步性，數(shù)值越高表明同步性越強(qiáng)。對(duì)每個(gè)受試者的注意和非注意任務(wù)進(jìn)行平均，生成相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)，最終得到四種不同情況下（注意/非注意、前/后評(píng)估）的腦網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)屬性：為了比較不同注意水平和前/后調(diào)節(jié)會(huì)話下腦網(wǎng)絡(luò)的效率，計(jì)算了權(quán)重網(wǎng)絡(luò)屬性，計(jì)算了聚類系數(shù)(Clu)和全局效率(Ge)，是評(píng)估腦網(wǎng)絡(luò)中功能分離和整合的兩個(gè)基本指標(biāo)。該研究使用Brain Connectivity Toolbox計(jì)算這些網(wǎng)絡(luò)屬性。圖3展示了基于PLV方法的大腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和屬性。對(duì)于BCI組，存在顯著差異的腦網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量顯著增加，且在Post EEG評(píng)估中比Pre EEG評(píng)估中更集中于額區(qū)和頂區(qū)。如圖3(a)所示，網(wǎng)絡(luò)屬性結(jié)果顯示，在注意調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)后，注意狀態(tài)下的Clu和Ge顯著增加。

圖3 非注意狀態(tài)(Theta:Clup=0.052,Gep=0.642;Beta:Clup=0.069,Gep=0.076)

未觀察到顯著變化。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：首先計(jì)算了每個(gè)調(diào)節(jié)會(huì)話中每個(gè)受試者在注意和非注意狀態(tài)下的平均輸出注意力水平。為了確定不同調(diào)節(jié)階段之間注意力水平的顯著性差異，采用了重復(fù)測(cè)量單因素方差分析(ANOVA)。采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較注意和非注意狀態(tài)下的會(huì)內(nèi)注意水平，并采用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR )校正方法進(jìn)行多重比較。圖4(a)顯示從第1階段到第10階段的在線調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的平均輸出值。對(duì)于BCI組，隨著調(diào)節(jié)次數(shù)的增加，注意狀態(tài)的在線輸出值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而非注意狀態(tài)的輸出值沒有表現(xiàn)出明顯的增加或減少的趨勢(shì)。

圖4 共10次調(diào)節(jié)過程中的BCI表現(xiàn)。

（圖片來自論文）

圖5為10次調(diào)節(jié)前后基線EEG評(píng)估中注意狀態(tài)時(shí)額區(qū)theta/beta功率比。額葉包括FP1，F(xiàn)P2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)Z，F(xiàn)7和F8通道，theta/beta功率比在所有試驗(yàn)和每組所有10名受試者中平均。對(duì)于BCI組，在10次注意調(diào)節(jié)會(huì)話(t檢驗(yàn), FDR校正, p<0.05)后，theta/beta功率比在注意狀態(tài)下顯著下降。對(duì)于控制組，腦電評(píng)估前后的功率比沒有顯著差異。

圖5 10次調(diào)節(jié)前后基線EEG評(píng)估中注意狀態(tài)時(shí)額區(qū)theta/beta功率比。

（圖片來自論文）

3、研究意義

該研究提出了一種基于在線神經(jīng)反饋的注意力調(diào)節(jié)腦機(jī)接口（BCI）系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅依賴單通道EEG頭帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，受試者通過神經(jīng)反饋訓(xùn)練顯著提升了注意力調(diào)節(jié)能力，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。此外，離線腦網(wǎng)絡(luò)分析和SART認(rèn)知量表結(jié)果表明，注意力相關(guān)的大腦模式在長(zhǎng)期訓(xùn)練中得到了增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

H.Huang et al.,"Real-Time Attention Regulation and Cognitive Monitoring Using a Wearable EEG-based BCI," in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, doi: 10.1109/TBME.2024.3468351.