第三部分 神经接口与康复 3
第9章 脑-机接口 3
9.1 脑-机接口概述 3
9.1.1 脑-机接口定义 3
9.1.2 早期脑-机接口 6
9.1.3 脑-机接口分类 9
9.1.4 脑-机接口组成 11
9.1.5 脑-机接口系统性能评价指标 14
9.2 典型的脑-机接口范式 15
9.2.1 基于ERP中P300电位的脑-机接口 16
9.2.2 基于SMR的脑-机接口 21
9.2.3 基于SSVEP的脑-机接口 24
9.2.4 基于SCP的脑-机接口 27
9.2.5 其他脑-机接口范式 28
9.3 脑-机接口应用及发展现状 32
9.3.1 国内外脑-机接口大赛 32
9.3.2 脑-机接口应用领域 33
9.3.3 脑-机接口应用的发展现状 37
9.4 脑-机接口未来的发展趋势 41
9.4.1 脑-机接口传感器系统开发 42
9.4.2 脑-机接口信息编解码技术发展 44
9.4.3 新型脑-机接口范式设计 45
9.4.4 脑-机接口发展的未来 47
9.5 本章小结 48
思考题 48
参考文献 48
第10章 植入神经接口与微系统 51
10.1 概述 51
10.2 硬件系统构成 52
10.2.1 植入式高密度神经信号采集 53
10.2.2 信号处理 54
10.2.3 外界通信 54
10.2.4 设备供能 55
10.2.5 系统封装 55
10.3 神经信号解码与反馈 56
10.3.1 神经信息的编解码 56
10.3.2 神经元集群信息分析方法 57
10.3.3 感觉信息再生 58
10.4 植入式神经接口系统的应用范例 59
10.4.1 植入式感觉神经假体 59
10.4.2 植入式微电子神经桥 62
10.4.3 神经控制假肢 64
10.5 本章小结 73
思考题 74
参考文献 74
第11章 神经肌骨动力学 77
11.1 神经肌骨动力学概述 77
11.1.1 神经肌骨动力学定义 77
11.1.2 研究内容、发展和分类 77
11.1.3 研究方法——神经肌骨模型 78
11.1.4 常用设备介绍 79
11.2 步态分析 80
11.2.1 步态分析简介及发展 80
11.2.2 基本步态特征表征 81
11.2.3 步态分析方法 83
11.2.4 步态分析在临床中的应用 84
11.2.5 步态识别 85
11.3 肌骨系统中的神经控制信号——肌电信号 86
11.3.1 运动控制原理 86
11.3.2 肌电与肌肉收缩力 87
11.3.3 肌电与肌肉疲劳 88
11.3.4 肌电与脑电的相干性 93
11.4 肌骨动力学模型 94
11.4.1 正向动力学模型——肌电协助的肌骨模型 94
11.4.2 反向动力学模型——基于静态优化的肌骨模型 96
11.4.3 实验方法 99
11.5 神经肌骨动力学的应用 99
11.5.1 机械外骨骼 100
11.5.2 骨关节炎 100
11.5.3 前十字韧带损伤 101
11.5.4 脑卒中 102
11.6 面临挑战与发展趋势 102
11.7 本章小结 103
思考题 103
参考文献 104
第四部分 神经刺激与调控 109
第12章 功能性电刺激 109
12.1 功能性电刺激概述 109
12.2 FES的分类 110
12.2.1 FES的功能重建作用 110
12.2.2 FES的功能替代作用 112
12.2.3 植入式和非植入式FES 112
12.3 FES作用机理 113
12.3.1 FES的工作原理 113
12.3.2 肌肉的募集特性 114
12.4 FES的系统构成 116
12.4.1 FES系统结构 116
12.4.2 电极特性与电极-组织接口 117
12.4.3 FES刺激参数 118
12.4.4 反馈控制算法 120
12.5 功能性电刺激的应用与发展 122
12.5.1 肢体功能性电刺激 122
12.5.2 心脏起搏器 124
12.5.3 干扰电治疗 129
12.6 本章小结 132
思考题 133
参考文献 133
第13章 电磁神经调控 135
13.1 经颅电刺激 135
13.1.1 经颅电刺激简介 135
13.1.2 经颅直流电刺激的应用 137
13.1.3 经颅交流电刺激的应用 140
13.2 经颅磁刺激 141
13.2.1 经颅磁刺激技术发展历史 141
13.2.2 经颅磁刺激技术作用机制 142
13.2.3 经颅磁刺激器系统 142
13.2.4 经颅磁刺激与其他神经成像手段联用 148
13.3 经颅磁刺激技术研究与应用 150
13.3.1 经颅磁刺激与脑可塑性研究 150
13.3.2 经颅磁刺激与脑功能定位 152
13.3.3 经颅磁刺激与肌体运动康复 153
13.3.4 经颅磁刺激用于神经性疾病治疗 156
13.4 深部脑刺激 158
13.4.1 深部脑刺激研究现状 159
13.4.2 深部脑刺激研究内容 160
13.4.3 深部脑刺激应用 161
13.5 本章小结 162
思考题 163
参考文献 163
第14章 光遗传学 165
14.1 概述 165
14.1.1 光遗传学简介 165
14.1.2 光遗传学诞生和发展简史 166
14.2 光遗传学基本原理 167
14.2.1 光敏感蛋白 167
14.2.2 视蛋白靶技术 169
14.2.3 光传输技术 172
14.2.4 输出信号检测 176
14.3 光遗传学的应用 180
14.3.1 焦虑障碍与恐惧的神经环路研究 181
14.3.2 药物成瘾的神经环路 182
14.3.3 抑郁的神经环路研究 183
14.3.4 自闭症和精神分裂症的神经环路研究 184
14.3.5 学习记忆研究 184
14.3.6 睡眠-觉醒节律的研究 185
14.3.7 在其他细胞生物学领域的应用 186
14.4 光遗传学展望 186
14.4.1 促进神经工程发展 186
14.4.2 光敏感蛋白的优化和扩充 187
14.4.3 反向工程 188
14.4.4 时空维度上分子回路的研究 188
14.4.5 光遗传学的竞争者 188
14.5 本章小结 190
思考题 190
参考文献 190
第15章 经颅超声刺激 192
15.1 经颅超声刺激的发展 192
15.2 超声波原理 193
15.2.1 超声波的传播及声强 193
15.2.2 边界声阻抗 194
15.2.3 超声波换能器 195
15.2.4 超声聚焦及分辨率 196
15.2.5 超声物理效应 197
15.3 神经调控 199
15.3.1 动物神经调控 199
15.3.2 人类神经调控 203
15.4 面临的挑战及未来方向 205
15.5 本章小结 206
思考题 206
参考文献 207
第五部分 神经模拟与仿生 211
第16章 神经假体 211
16.1 感觉神经假体 211
16.1.1 视觉神经假体 211
16.1.2 听觉神经假体 221
16.1.3 触觉神经假体 232
16.2 运动神经假体 239
16.2.1 概述 239
16.2.2 仿生神经肌肉接口 242
16.2.3 基于功能性电刺激的运动神经假体 245
16.3 中枢神经假体 248
16.3.1 概述 248
16.3.2 记忆假体工作原理与结构组成 250
16.3.3 记忆假体的挑战与展望 253
16.4 本章小结 253
思考题 254
参考文献 254
第17章 人工神经网络 256
17.1 人工神经网络基础 256
17.1.1 人工神经网络概述 256
17.1.2 人工神经网络发展 259
17.1.3 人工神经网络基本模型与组成要素 262
17.1.4 人工神经网络的应用 266
17.2 常见人工神经网络模型 268
17.2.1 BP神经网络 268
17.2.2 Hopfield反馈神经网络 270
17.2.3 径向基函数神经网络 273
17.2.4 自组织特征映射神经网络 275
17.2.5 对偶传播神经网络 278
17.2.6 自适应谐振理论 282
17.2.7 量子神经网络简介 284
17.3 深度学习简介 290
17.3.1 深度神经网络简介 291
17.3.2 监督学习方向 291
17.3.3 非监督学习方向 293
17.3.4 强化学习方向 294
17.3.5 深度学习的应用 295
17.4 本章小结 298
17.5 思考题 299
参考文献 299
第18章 神经仿生学与智能机器人 302
18.1 神经仿生学 302
18.1.1 仿生学概述 302
18.1.2 神经仿生学的兴起和发展 303
18.2 神经仿生学在智能机器人领域的应用 308
18.2.1 智能机器人 308
18.2.2 神经机器人 309
18.2.3 类脑智能前沿热点与研究现状 316
18.3 类脑智能的未来 328
18.4 本章小结 329
思考题 330
参考文献 330
第六部分 神经再生与修复 335
第19章 神经再生与修复 335
19.1 概述 335
19.2 周围神经再生与修复 335
19.2.1 生物可降解人工神经移植物 336
19.2.2 组织工程神经 339
19.2.3 周围神经损伤 344
19.3 中枢神经再生与修复 346
19.3.1 神经组织移植 346
19.3.2 细胞移植 347
19.3.3 分子治疗 348
19.3.4 组织工程修复 348
19.3.5 常见中枢神经损伤 349
19.4 神经再生与修复展望 361
19.5 本章小结 362
思考题 362
参考文献 362
第七部分 神经工程前沿技术及新应用 367
第20章 神经工程前沿技术及新应用 367
20.1 神经成像新技术应用 367
20.1.1 功能磁共振成像 367
20.1.2 脑功能成像新技术 374
20.1.3 神经成像技术革新 378
20.2 神经接口新技术应用 380
20.2.1 神经接口促进疾病康复 380
20.2.2 神经接口改善人类生活 384
20.2.3 构建“大脑网络”实现群体协同脑-机交互 388
20.3 神经工程新应用之神经刺激与调控 390
20.3.1 刺激调控与疾病 390
20.3.2 刺激调控与记忆 392
20.3.3 刺激调控与社会生活 393
20.3.4 刺激调控与军事 394
20.4 类脑研究与人工智能 395
20.4.1 大数据时代下的神经工程学 395
20.4.2 神经工程学与类脑研究 396
20.5 本章小结 396
思考题 397
参考文献 398