基于血氧代谢信号的神经反馈：关键理论与技术研究

This project will focus on key theories and technologies for both the single-brain and two-brain neurofeedback paradigms, including 1) a computational model for finding substitute target areas; 2) adaptive neural decoding for neurofeedback; 3) real-time cross-brain connectivity models; and 4) two-brain neural decoding for neurofeedback. Based on this work, we will build a novel single-brain and two-brain neurofeedback system with intellectual property rights ownership.We will investigate the application of single-brain neurofeedback for improving emotional self-regulation ability and the application of two-brain neurofeedback for improving cooperative ability, to establish a methodological basis for the intervention of affective and social disorders. This project's innovations include the leveraging of the advantages of fMRI and fNIRS to establish a novel method for finding substitute target areas, which solves the problem of long-term neurofeedback training on deep brain areas; pioneering the concepts of neurofeedback using adaptive decoding and two-brain neurofeedback using neural decoding and developing corresponding computational models, allowing the leap from static neural decoding to dynamic neural decoding and from single-brain neurofeedback to multi-brain neurofeedback.

血氧代谢脑成像技术与神经反馈理论结合为人类提供了一面“镜子”，使人们能够细致地“看到”自己当下的神经活动，从而使靶向性的神经活动自主调节成为可能，进而获得认知功能的提升或康复。本项目将在单脑与双脑两个层次开展：1）靶脑区迁移计算模型；2）自适应神经解码；3）脑间连接实时计算模型和4）双脑神经解码等关键理论与技术研究；在此基础上形成具有自主知识产权的“单脑”和“双脑”神经反馈原型系统。开展面向情绪调节能力改善的单脑神经反馈、面向合作行为能力提高的双脑神经反馈应用研究，为情绪与社交障碍的干预奠定方法基础。项目创新之处在于，充分利用fMRI 和fNIRS 的各自优势，突破“靶脑区迁移”关键技术，解决深部核团长时间神经反馈训练难题；国际上首次提出了“自适应神经解码反馈“与“双脑耦合神经反馈”概念并建立相应计算模型，实现从静态神经解码到动态神经解码、从单脑神经反馈到双脑神经反馈的跨越。

神经反馈作为一种内源性神经调控技术，受到基础与临床神经科学关注。近红外脑成像（fNIRS）神经反馈具有低成本、高生态效度优势。但目前fNIRS神经反馈调控仅限于探头附近的大脑皮层表面区域。而像抑郁症等常见脑功能障碍均为脑网络整体异常所致，且往往涉及深部核团（如杏仁核、扣带回等），这极大限制了fNIRS神经反馈适用应用。本项目以脑网络靶向为目标，建立了（脑颅骨空间S、皮层空间C、深部脑空间B）三层靶脑区迁移模型，并得到了回顾性与前瞻性实验结果的支持。这一原创成果实现了fNIRS神经反馈原理上的突破，为各种脑功能障碍提供了新的干预手段。相关成果如下：1、首创人类脑颅骨曲面标准坐标系统，实现颅骨位置参数的定量化；2、建立大样本、高精度概率颅-脑空间映射关系，获得中国成年人群颅脑映射变异度指标，为建立基于先验信息的靶脑区迁移模型提供解剖数据支持；3、建立了一类全新的脑图谱（经颅脑图谱）；4、以脑网络为靶，建立了三层空间相继融合的靶脑区迁移计算模型，并得到了回顾性与前瞻性实验结果的支持。此外，在自适应解码方向，开展了情绪解码不稳定性研究，并提出了基于高斯混合模型的自适应解码算法。在双脑交互与解码方面建立了双人交互行为的“一体化”计算模型，基于ICA的脑间连接计算方法，并从镜像神经系统的角度探索了交互行为与脑间连接的关联性，为双脑神经解码与调控奠定基础。. 在SCIENCE 子刊（SCIENCE ADVANCES）、Neuroimage、IEEE Transactions等国际期刊发表本项目资助论文20篇（含接收2篇）；受中国科学技术出版社邀请撰写国际上首部“近红外光谱脑功能成像”论著（书稿已提交出版社）；申请美国发明专利2项、申请中国国家发明专利2项、授权中国国家发明专利1项；建立神经解码与神经反馈相关原型系统3套；全球免费开放近红外脑功能成像数据分析软件一套（NIRS-KIT）；培养研究生22名（毕业10名，在读12名），连续五年主办全国近红外光谱脑功能成像学术会议；项目组与美国NIH终身高级研究员、 NIDA磁共振成像与频谱部主任Y.H. Yang 教授合作完成文章两篇（含投稿一篇）；神经反馈平台在国内多家科研单位（西南大学、电子科技大学、北医六院、天坛医院、西安电子科技大学等）推广使用。