基于皮层脑电的言语功能神经信息解码研究

言语是人与外界进行交互的最重要手段之一。对言语功能神经机制的研究一直以来都是神经科学、认知科学、心理学领域的重大课题。随着脑功能成像技术的发展，近几十年来研究人员找到了人脑中与言语功能相关的大量重要功能区。然而，我们对言语功能对应的神经活动时间过程的理解还很缺乏。本项目以神经外科入院需植入皮层电极进行癫痫病灶定位的病人为受试，采用有高时间分辨率和丰富频率信息的皮层脑电技术研究受试在执行不同单个词语言语任务时皮层脑电信号的差异。本研究通过创新的"双延迟"实验范式分离不同言语处理阶段，着重关注言语功能在高频皮层脑电上的表达及其时间特性，探讨言语功能的神经机理。同时，我们将建立一套神经信息解码方法，尝试根据受试者的皮层脑电数据在有限词语库中判断出即将说出的词语，这一方法将用于初步建立基于皮层脑电的言语意图解码新型脑-机接口系统。

近三年来,人类言语功能的神经机理探索及其在神经工程领域的应用正在得到神经科学、认知科学、心理学领域越来越多的关注，不少前沿成果在Nature、PNAS等顶级期刊发表。本项目以直接放置在人类大脑皮层表面的皮层电极技术为基础，采集同时具有高时间分辨率和高空间分辨率的皮层脑电数据，通过“双延迟”实验范式分离不同言语处理阶段以探索言语处理的神经机理。在项目执行期间，累计完成40例植入皮层电极的癫痫病人言语功能数据采集。研究发现，额下回、感觉运动皮层、颞上回在言语理解和言语产生阶段均有参与，主要体现为皮层脑电高频gamma频段的响应，但不同脑区的电极在不同言语阶段对应不同的神经表征时间特性。本研究通过言语过程精细时空表征的描述，表明言语的理解与产生是密切相互联系而不是相对独立的两个认知过程，该结论有效的扩展了传统言语认知理论，与近期本领域的国际前沿研究进展一致。与此同时，本项目还基于上述机理研究结果在神经工程领域开展了实践探索，设计并实现了辅助临床手术规划的言语功能脑区定位与保护的方法与系统、言语内容解码脑-机接口原型系统。综上，本项目研究成果使我们对言语功能的神经机理有了更加深入的理解，为开展言语功能的理论研究与临床应用打下了良好的基础。