信号记录与刺激大脑 ¶

信号记录 ¶

侵入式技术 ¶

单电极细胞外记录 ¶

单个神经元的细胞外记录是一种最常见的侵入式技术。将端部尺寸不到 10μm 的由钨或者铂铱合金制成的微电极插入目标脑区，调整插入深度直至足够接近单个神经元细胞体，以采集由细胞动作电位引起的电压波动。

细胞外记录到的信号幅值一般不到 1mV，需要放大器来检测信号。电压波动与动作电位直接相关，所以即使电极没有插入细胞，记录的信号也显得和动作电位相匹配。

多电极阵列 ¶

多电极阵列（MEA）由 m×n 个微电极排列而成，其中 m、n 的取值范围通常在 1-10 之间。多电极阵列基于与单电极细胞外记录相同的原理和现象来检测动作电位。多数情况下，由于一些电极不能提供可用的信号，能够同时记录的神经元数量比阵列中电极的实际数量少 10%-50%。

• 优势：多电极阵列能同时记录几十个神经元从而提取复杂类型的信息。
• 局限：多电极阵列记录信号的质量会随着时间推移显著下降，植入设备长期存在脑组织中，容易导致神经胶质细胞等非神经元细胞包裹并形成早期疤痕组织，从而在阵列周围形成绝缘护套。

多电极阵列最常见的类型是微丝、硅基和柔性阵列。

皮质脑电图 ¶

皮质脑电图（ECoG）实际上是一种半侵入式技术，由直径 2-5mm、网格间距 10mm-1cm 的电极组成。与单电极细胞外记录和多电极阵列不同，ECoG 电极记录神经元集群（几万个神经元）一致性活动引起的电位波动。

研究者们使用微皮质脑电图（microECoG）来改善 ECoG 需要较大尺寸电极（直径几毫米）的缺点，这种微电极直径仅有零点几毫米，网格间距仅 2-3 毫米，比传统的 ECoG 具有更高的空间分辨率。

其他技术 ¶

• 电压敏感材料： 染料通过改变其吸收率和荧光来反映细胞膜电位变化，从而将染上电压敏感染料的神经元的电活动成像。
• 双光子钙成像： 基于神经元中电活动通常与钙浓度变化相关的事实，通过对电压变化引起的钙离子活动进行成像（红外激光扫描系统），来观察单个神经元的电活动。

非侵入式技术 ¶

脑电图 ¶

脑电图（EEG）是一种流行的非侵入式技术，通过放置在头皮上的电极来记录大脑信号。EEG 主要采集大脑皮质中的电活动，其信号反映了放射状的面向头皮的上千个神经元产生的突触后电位的总和。EEG 的空间分辨率较差（在 1cm² 范围内），但时间分辨率较好（在毫秒范围内）。

EEG 非常适合捕捉具有特征频率范围和空间分布的“脑电波”（例如由神经元集群的同步活动产生），它们往往与大脑的不同功能状态相对应。

脑磁图（MEG）比 EEG 有更好的空间分辨率，且与头部的几何结构无关；但是 MEG 也更加昂贵、庞大、不便携，且需要电磁屏蔽室。

间接测量 ¶

功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外成像（fNRI）都是通过检测在执行具体任务时特定脑区中由于神经元活动增强而产生的血流量变化（血氧水平变化））来间接测量神经元活动。fMRI、fNRI 与 EEG、MEG 相比，具有更好地空间分辨率，但是时间分辨率较差。

正电子发射断层成像（PET）是一种比较老的技术。PET 检测带放射性标记和代谢活跃的化合物（通过注射到血液中传送到大脑）的放射量。

刺激大脑 ¶

侵入式技术 ¶

• 微电极： 神经元电刺激所采用的电极与神经元信号记录的电极相同。
• 直接皮质电刺激（DCES）： 半侵入式的大脑刺激方式采用ECoG中在皮质表面使用的电极。 临床中DCES常用于确定神经外科病人大脑中的感知、运动、记忆和语言功能所对应的脑区，其在BCI中提供直接反馈的可能性有待讨论。
• 光刺激：
  • 双光子激光照射： 精确聚焦的激光照射能使特定单神经元兴奋（机理尚不明确）。
  • 光感基因刺激： 借助基因操作仅使某些神经元相应照射。光遗传学是一种有前景的新兴技术，但其在BCI中的应用有待更深入的研究，目前局限于离体实验。

非侵入式技术 ¶

• 经颅磁刺激（TMS）： 依赖于电磁感应原理，只适用于激活大脑表层的神经元。
• 经颅超声： 低强度的脉冲超声也能影响神经活动（机理尚不明确），却不发生热效应或组织损伤（高强度的会发生）。 脉冲超声波的空间分辨率优于TMS，其能否在BCI中为特定脑区提供针对性反馈有待研究。

同步记录和刺激 ¶

• 多电极阵列： 在多电极阵列中，一些电极可用于记录，其他电极可用于刺激。
• 神经芯片： 一种独立的装置，允许填入芯片后的受试者自由走动以及进行正常活动。

小结 ¶

后续章节中将更详细地探讨这些技术在 BCI 中的应用。