经颅直流电刺激对脑-机接口性能的影响及其机制研究

Recently, electroencephalogram-based brain-computer interface (BCI) has attracted much attention for its advantages such as noninvasiveness. However, its application has been limited because of the low signal-to-noise ratio of brain signals. Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive neuromodulation technique, which can directly modulate the excitability of the motor, somatosensory and visual cortices in human subjects. Furthermore, tDCS in humans has been shown to change event-related desynchronization (ERD) and the amplitude of visual evoked potential (VEP) in a polarity-dependent way. However, effects of tDCS on BCI performance and brain activity are not well understood. In this project, we propose to select the high-speed steady-state visual evoked potential-based BCI (SSVEP-BCI) as the target object and design new experimental paradigms that combines tDCS with a SSVEP-BCI system and further investigate whether tDCS stimulation on visual cortex is able to affect spontaneous brain activity and SSVEP-related BCI features in a polarity-specific way. Furthermore, the effects of tDCS-induced electroencephalography (EEG) pattern changes on BCI performance are evaluated. We hope this effort may contribute to fuel innovative new approaches for improving the BCI performance. This study contributes to bring up an idea and methods for applying tDCS to BCI.

近年来，基于头皮脑电的脑-机接口因具有非侵入性的特点而受到广泛关注，但其实际应用却因脑信号的低信噪比而受限。经颅直流电刺激是一种非侵入式神经调控技术，它可直接调节人脑运动皮层、躯体感觉皮层和视觉皮层的兴奋性。研究表明，经颅直流电刺激能够以一种极性依赖的方式改变事件相关去同步以及视觉诱发电位的幅度。然而这一调控技术对脑-机接口的性能以及这一过程中的大脑活动情况还没有太多的了解。本项目拟选择高通讯速率的稳态视觉诱发电位脑-机接口作为研究对象，将经颅直流电刺激与脑-机接口相结合设计新颖的实验范式，研究作用于视觉皮层的经颅直流电刺激是否能够通过极性的特殊方式调节自发脑电活动以及稳态视觉诱发电位相关的脑-机接口特征，并评估经颅直流电刺激所诱发的脑电模式变化对脑-机接口性能的影响，探讨提高脑-机接口性能的新途径。从而为此法在脑-机接口中的广泛应用提供最佳适用范围与理论依据。

脑-机接口和经颅直流电刺激是当今神经工程领域的两个研究热点。本项目重点研究了稳态视觉诱发电位脑-机接口的编解码方法和经颅直流电刺激的作用效应，以及与之相关的脑-机接口应用。研究内容包括：1）在脑-机接口编码方法方面，按照预期目标完成了刺激频率和波形对稳态视觉诱发电位的影响研究，以及颜色和亮度对交叉调制频率的影响研究；2）在脑-机接口在线脑电解码算法方面，提出并评估了一种新颖的由数据驱动的空间滤波器——任务相关成分分析算法，以用于提高稳态视觉诱发电位的检测，进而实现高速率脑-机接口字符输入。所构建的基于频率-相位联合调制的稳态视觉诱发电位脑-机接口系统获得了325.33比特/分钟的平均信息传输率，代表了目前脑-机接口系统的最高信息传输率水平。验证了基于个体校准数据的扩展型典型相关分析可以显著提高基于交叉调制频率的脑-机接口的性能。3）在结合经颅直流电刺激的脑-机接口方面，搭建了结合经颅直流电刺激和脑电的实验平台，并研究了经颅直流电刺激对静息态脑电和稳态视觉诱发电位的作用效应。设计与实现了一套结合经颅直流电刺激的9目标稳态视觉诱发电位脑-机接口系统，验证了经颅直流电刺激能够提高稳态视觉诱发电位脑-机接口的性能。课题组所取得研究成果发表在国内外高水平刊物上并引起了广泛的关注。在项目经费支持下，课题组已发表论文8篇，其中包括本领域著名专业杂志IEEE TBME、Journal of Neural Engineering等，以及ESI高被引论文1篇；申请受理专利4项。参加国内外学术会议数次并做了学术报告，积极推广研究成果与学术交流。上述研究成果都达到了项目计划书中所规定的各项性能指标要求。