《脑与认知科学概论（第2版）》课件8.8 EEG-fNIRS多模态脑功能测试系统体验实验

脑与认知科学概论第八章脑与认知实验

8.8EEG-fNIRS多模态脑功能测试系统体验实验一、实验目的二、实验环境三、实验原理四、实验步骤一、实验目的通过幻灯片讲解，并在脑科学实验室真实体验EEG-fNIRS多模态脑功能测试系统，使学生理解和了解系统的功能，了解脑的信息加工过程。二、实验环境多模态脑功能测试系统把具有高时间分辨率的脑电EEG和高空间分辨率的功能性近红外脑成像fNIRS技术相结合形成多模态脑功能信息数据，同时获得高时间-空间分辨率信息，从而动态地观察脑的信息加工过程，在认知神经科学研究领域具有很重要的指标意义，并且可以在这些研究领域和相关学科取得一些突破性的研究进展。多模态脑功能测试系统可以将NeurOne高密度脑电仪和fNIRS高密度近红外脑功能成像系统搭配使用，将EEG和fNIRS进行整合发挥二者的优势。EEG的时间分辨率高，但是空间分辨率低；fNIRS的时间分辨率低，实时性较差，但是空间分辨率高。为了准确、全面、实时的测量大脑在认知过程中的活动，实现全面、实时的脑成像方式无疑是一种更好的策略。结合EEG与fNIRS的多模态脑成像技术在认知神经科学研究中有着很好的应用前景，同时还可搭建多模态脑-机接口系统。与此同时，系统还支持EEG与fMRI功能性核磁共振、TMS经颅磁刺激器等多种脑功能成像系统结合进行多模态脑功能实验研究。三、实验原理一直以来准确、实用、无创地测量心理状态是所有研究人员梦寐以求的目标，高精确度和便捷性是很多应用的技术方向。随着脑科学测量设备的发展，越来越多的研究者不再满足于使用单一的脑电测量或者近红外测量进行脑部功能的检测和实验研究，随之而来的是多模态的结合测量。近红外和脑电的结合，既考虑到了脑电的高时间分辨率也兼顾了近红外的高空间分辨率，两者的结合使得研究者对认知功能或脑功能测量更为得心应手。脑电波（Electroencephalogram,EEG）是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法，大脑在活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。功能性近红外光谱技术(functionalnear-infraredspectroscopy,fNIRS)利用血液的主要成分对6000-900NM近红外光良好的散射性,从而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况。目前该技术开始运用于自然情境下的高级认知、发展、心理学、异常心理学等多个领域的研究该技术具有造价较低、便携性好，无噪音、无创性和对实验过程中被试动作不会过份敏感等优点，但也存在空间分辨率不高和校正算法有待进一步完善等方面的不足。（1）fNIRS成像原理组织中吸引近红外光的成分主要有水、HbO和Hb，并且它们对近红外光的吸收率不同。水对近红外波段的谱相为观察血红蛋白提供了一种可作为背景的“光谱窗”，而且在这个光谱窗下，HbO和Hb对近红外光的频谱差异足够大，可以根据此差异计算它们各自在体内的浓度。研究表明，应用扩散光学成像，可以重建血液参数的三维空间变化：血红蛋白的浓度和氧气饱和度，以及组织散射特性。因此，应用近红外，可以“看”到体内。fNIRS旨在探求组织表面下数毫米的组织光学特性。在生物组织中，光子会历经数千次的弹性散射事件与数次源于吸收发色团的吸收事件，而两种组织中主要的吸收发色团为HbO2和Hb，二者在600到900nm的光谱范围中拥有截然不同的吸收光谱。（2）功能应用①EEG-fNIRS多模态研究:NeurOne多模态脑功能测试系统可以和fNIRS（高密度近红外脑功能成像系统）搭配使用，将EEG和fNIRS进行整合发挥二者的优势，EEG的时间分辨率高，但是空间分辨率低；fNIRS的时间分辨率低，实时性较差，但是空间分辨率高。为了准确、全面、实时的测量大脑在认知过程中的活动，实现全面、实时的脑成像方式无疑是一种更好的策略。结合EEG与fNIRS的多模态脑成像技术在认知神经科学研究中有着很好的应用前景，同时还可搭建多模态脑-机接口系统。②EEG-fNIRS多模态脑机接口研究:传统基于单一模态脑电(EEG)脑-机接口易受环境噪声干扰、分类精度低等问题,在EEG脑-机接口的研究基础上,引入功能近红外光谱成像(functionNearInfraredSpectroscopy,fNIRS)技术,可以自行设计EEG-fNIRS多模态脑-机接口的实验范式,研究最重要的特征提取与分类环节，同时可免费提供BCI脑机接口应用程序BCI2000给NeurOne用户。③EEG-TMS多模态研究:NeurOne多模态脑功能测试系统可以和TMS（经颅磁刺激器）搭配使用。高动态输入范围（+/-430mV的直流电模式以及+/-86mV的交流电模式），较大的模拟带宽（直流输出3500HZ），让TMS保持较低的伪影，使得分析大脑活动的潜伏期更短。此外，TMS拥有硬件弱音功能以及在线伪影消除的软件功能。此外我们增加了EEG采样同步触发新功能。触发器由刺激系统软件发出（ErgoLAB刺激编译软件、Presentation软件,Superlab软件,E-Prime软件），这些触发信号能够通过NeurOne主控器传到TMS设备上。NeurOne可以在持续的EEG采样信号中发出触发脉冲，产生更精确的TMS，减少伪影，更容易进行伪影去除。④EEG-fMRI多模态研究:NeurOneTesla多模态脑功能测试系统使得同时测量MRI和EEG成为可能。利用NeurOneSyncboxEEG所获得的数据和MRI扫描是同步的(例如4或10MHz)。高动态输入范围(+/-430mV的直流电模式和+/-86mV的交流电模式)结合模拟带宽(直流输出3500Hz),使利用高梯度力度获得精确信号毫无风险。四、实验步骤1.通过幻灯片进行投影演示，介绍脑电图和功能性近红外光谱技术的原理。2.到有条件的医院或者研