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第一部分 背景知识 2

第1章 引言 2

第2章 神经科学基础 4

2.1 神经元 4

2.2 动作电位或锋电位 5

2.3 树突和轴突 5

2.4 突触 5

2.5 锋电位的产生 6

2.6 神经连接的调节：突触可塑性 7

2.6.1 LTP 7

2.6.2 LTD 7

2.6.3 STDP 7

2.6.4 短期激励和抑制 8

2.7 大脑组织、解剖学结构和功能 9

2.8 小结 11

2.9 问题和习题 11

第3章 记录大脑信号和刺激大脑 12

3.1 记录大脑信号 12

3.1.1 侵入式技术 12

3.1.2 非侵入式技术 17

3.2 刺激大脑 22

3.2.1 侵入式技术 22

3.2.2 非侵入式技术 23

3.3 同步记录和刺激 24

3.3.1 多电极阵列 24

3.3.2 神经芯片 25

3.4 小结 26

3.5 问题和习题 26

第4章 信号处理 28

4.1 锋电位分类 28

4.2 频域分析 29

4.2.1 傅里叶分析 29

4.2.2 离散傅里叶变换 32

4.2.3 快速傅里叶变换 33

4.2.4 频谱特征 33

4.3 小波分析 33

4.4 时域分析 34

4.4.1 Hjorth参数 34

4.4.2 分形维数 35

4.4.3 自回归模型 36

4.4.4 贝叶斯滤波 36

4.4.5 卡尔曼滤波 38

4.4.6 粒子滤波 40

4.5 空间滤波 41

4.5.1 双极、拉普拉斯和共同平均参考 41

4.5.2 主成分分析 41

4.5.3 独立分量分析 44

4.5.4 共空间模式 46

4.6 伪迹去除技术 48

4.6.1 阈值法 48

4.6.2 带阻和陷波滤波 48

4.6.3 线性模型 49

4.6.4 主成分分析 49

4.6.5 独立分量分析 51

4.7 小结 51

4.8 问题和习题 51

第5章 机器学习 54

5.1 分类技术 54

5.1.1 二分类 54

5.1.2 集成分类技术 59

5.1.3 多分类 61

5.1.4 分类性能的评估 64

5.2 回归方法 66

5.2.1 线性回归 67

5.2.2 神经网络与反向传播算法 68

5.2.3 径向基函数网络 70

5.2.4 高斯过程 71

5.3 小结 73

5.4 问题和习题 73

第二部分 构建系统 78

第6章 构建BCI 78

6.1 BCI的主要类型 78

6.2 对构建 BCI有用的大脑反应 78

6.2.1 条件反射 78

6.2.2 集群行为 79

6.2.3 想象运动和认知行为 79

6.2.4 刺激诱发行为 80

6.3 小结 80

6.4 问题和习题 81

第三部分 BCI的主要类型 84

第7章 侵入式BCI 84

7.1 侵入式BCI的两个主要范式 84

7.1.1 基于操作性条件反射的BCI 84

7.1.2 基于集群解码的BCI 86

7.2 应用于动物的侵入式BCI 87

7.2.1 控制假臂和手的BCI 87

7.2.2 控制下肢的BCI 98

7.2.3 控制光标的BCI 100

7.2.4 认知型BCI 104

7.3 应用于人的侵入式BCI 108

7.3.1 植入多电极阵列控制光标和机器人 108

7.3.2 认知型BCI 111

7.4 侵入式BCI的长期使用 112

7.4.1 BCI的长期使用和稳定皮质代表区的形成 112

7.4.2 植入人脑的BCI的长期使用 114

7.5 小结 114

7.6 问题和习题 114

第8章 半侵入式BCI 117

8.1 基于皮质脑电信号（ECoG）的BCI 117

8.1.1 基于ECoG的动物用BCI 117

8.1.2 基于ECoG的人用BCI 118

8.2 基于外周神经信号的BCI 134

8.2.1 神经型BCI 134

8.2.2 目标肌肉神经分布重建 135

8.3 小结 137

8.4 问题和习题 138

第9章 非侵入式BCI 140

9.1 基于脑电信号的BCI 140

9.1.1 振荡电位和ERD 140

9.1.2 慢皮质电位 148

9.1.3 运动相关电位 151

9.1.4 刺激诱发电位 153

9.1.5 基于意识任务的BCI 158

9.1.6 BCI的错误电位 159

9.1.7 互适应型BCI 160

9.1.8 分层型BCI 161

9.2 其他非侵入式BCI：fMRI、MEG和fNIR 162

9.2.1 基于功能性磁共振成像的BCI 162

9.2.2 基于脑磁图的BCI 162

9.2.3 基于功能性近红外光学成像的BCI 164

9.3 小结 164

9.4 问题和习题 165

第10章 BCI的刺激修复作用 167

10.1 感觉功能恢复 167

10.1.1 恢复听力：人工耳蜗 167

10.1.2 恢复视力：皮质和视网膜的植入 169

10.2 运动恢复 171

10.3 感觉扩增 172

10.4 小结 173

10.5 问题和习题 173

第11章 双向与循环型BCI 175

11.1 通过刺激产生直接的皮质指令控制光标 175

11.2 使用BCI和体觉刺激实现主动触觉探索 178

11.3 迷你机器人的双向BCI控制 180

11.4 通过功能性电刺激实现肌肉的脑皮质控制 182

11.5 建立脑区间的新联系 183

11.6 小结 186

11.7 问题和习题 186

第四部分 应用和伦理 190

第12章 BCI的应用 190

12.1 医学领域的应用 190

12.1.1 感觉恢复 190

12.1.2 运动恢复 190

12.1.3 认知恢复 191

12.1.4 康复治疗 191

12.1.5 使用菜单、光标和拼写器实现交流 191

12.1.6 脑控轮椅 192

12.2 非医学领域的应用 193

12.2.1 网页浏览和虚拟世界导航 193

12.2.2 机器人替身 195

12.2.3 高流通量的图像搜索 197

12.2.4 测谎和法律领域的应用 199

12.2.5 警觉性监测 202

12.2.6 估算认知负荷 204

12.2.7 教育和学习 206

12.2.8 安保、身份识别和验证 208

12.2.9 利用外骨骼扩增身体能力 209

12.2.10 记忆和认知的放大 209

12.2.11 航空领域的应用 211

12.2.12 游戏和娱乐 213

12.2.13 脑控制艺术 214

12.3 小结 216

12.4 问题和习题 216

第13章 脑机接口的道德规范 218

13.1 医学、健康和安全问题 218

13.1.1 平衡风险和利益 218

13.1.2 知情同意 219

13.2 BCI技术的滥用 219

13.3 BCI的安全性和隐私性 220

13.4 法律问题 220

13.5 道德和社会公平问题 221

13.6 小结 222

13.7 问题和习题 222

第14章 结论 224

附录A 数学背景知识 226

参考文献 237

索引 248