基于多模态脑信号构建神经反馈调节对象的研究

Neurofeedback makes people learn to self-regulate brain activity by feeding back information about the brain activity, which is a noninvasive and low side-effect method of cognitive function training. However, the applications of neurofeedback in improving cognitive function have just started, and some key scientific and technological problems starve for being solved. Among them, the reasonable and effective regulated object (or feedback information) is a primary prerequisite while applying neurofeedback in training to improve cognitive function. The project is mainly based on the advantages of neural basis about feedback training revealed by fMRI signals, and the conjoint EEG-fMRI analysis. Directing at the critical issues about construction, evaluation and application of the regulated object, the project will investigate the regulated object of EEG signal which can be transferd from fMRI signal (or transferable feature), and apply the transformation feature in improving the working memory, which can provide scientific basis for promoting the conversion of neurofeedback applications. The implementation of the project will lay the foundation for converting neurofeedback applications to clinical applications, which has quite important scientific significance and application value.

神经反馈通过反馈大脑活动信息使人们能够学会对大脑活动的自我调节，是一种无创、低副作用的认知功能训练方式。然而，神经反馈在改善认知功能中的应用研究刚刚起步，一些关键的科学技术问题亟待解决。其中，合理有效的调节对象（反馈信息）是应用神经反馈技术训练改善认知功能的首要前提。本项目针对调节对象的构建、评估与应用这一关键问题，借助功能磁共振成像（fMRI）信号揭示反馈训练神经基础的优势，通过脑电（EEG）信号与fMRI信号的融合分析，研究能够从fMRI反馈迁移的EEG调节对象（迁移特征），将EEG迁移特征应用在工作记忆能力的改善，为促进神经反馈的应用转化提供科学依据。本项目的实施将对神经反馈的临床转化奠定基础，因此具有重要的科学意义与应用价值。

神经反馈通过实时反馈大脑活动信息使得人们能够通过训练实现对大脑活动的自主调节，从而达到提高认知能力、改善认知障碍的目的。本项目基于多模态脑信号构建神经反馈调节对象，深入研究fMRI、EEG反馈调节对象的有效构建与评估，特别是针对fMRI神经反馈的局限性，借助多模态脑信号的联合建模，构建可迁移的EEG调节对象，通过科学的评估与应用，推进不同模态神经反馈调节对象在工作记忆以及情绪认知功能改善中的应用，同时从更深层次揭示高级认知功能的神经机制。取得主要成果如下：1、完成了一套fMRI解码神经反馈平台，包括硬件系统的搭建和软件平台的开发，获国家发明专利授权2项，软件著作权1项；2、对fMRI反馈调节对象的构建算法进行了改进与应用，提出了时空约束独立成分分析算法、稀疏快速独立成分分析算法、以及基于稀疏表征的快速特征提取方法，用于构建脑功能连接反馈信息和脑状态解码反馈信息；3、对多模态调节对象迁移的计算方法进行了改进与应用，构建了fMRI到EEG的迁移特征；4、针对认知功能改善，设计并完成了基于fMRI或EEG神经反馈训练改善工作记忆的实验设计与数据分析，在此基础上完成了基于fMRI以及EEG神经反馈训练改善情绪感知的应用实验。上述研究成果推动了脑神经反馈技术的发展，促进了脑神经反馈的应用转化。