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第 5 章. 脑工程

高等类别： 【生物学】【脑科学索引】(https://jb243.github.io/pages/577) 

1.脑工程的定义及应用

⑴ 定义： 将大脑功能原理和应用连接到人工系统的技术。

⑵ 学科：人工智能、脑机接口、脑成像技术、计算机成像、模式识别、片上神经元、仿生学、虚拟现实、纳米生物工程、神经信息学、神经建模、神经微系统、光遗传学等。

2.脑工程基础

⑴ 神经编码

① 调谐曲线： 神经刺激强度相对于肌肉方向的图表。

⑵ 混叠和奈奎斯特采样理论：采样频率应为原始频率的2、3、···倍。

⑶ 神经形态系统

① 定义：模仿大脑生物神经机制发挥感知、识别、控制功能的电子系统

② 目标：模仿大脑的功能，以较低的成本输出高效率

⑷ STDP（峰值时间相关塑性）

①记忆的定义：连接第j个突触前神经元和第i个突触后神经元的神经突触强度ωij的变化

② 突触强度的变化是突触前神经元的传输时间 tjpre 与突触后神经元的接收时间 tipost 之差的函数。

⑸ Memristor（记忆电阻）

① 四大主要电子元件之一。

参见电阻、电感、电容等

② 数学化

③ 记忆电流值。

⑹ 人工神经网络 ： 深度学习算法（参见此处）

① McCulloch-Pitts模型的假设

○ 神经元遵循“全有或全无”法则。

○ 要激活任何神经元，应在确定的时间内激活固定数量 (>2) 的突触。

○ 所有延迟都来自突触内的延迟。

○ 抑制性突触绝对阻止突触后神经元的激活。

○ 与人类不同，神经网络的结构不会随时间而改变。

② 机器学习

○ 监督学习：找出带有标记样本的数据集的规则

○ 无监督学习 : 找出未标记样本的数据集的规律

○ 强化学习 : 使用奖励行为系统

3.处理大脑信号

⑴ EEG（脑电图）

①定义：测量并记录神经元对外产生的电信号

② 历史

○ 1875 : 科顿记录了动物大脑的电行为。

○ 1925 : Nemunski 研究了狗的脑电图。

○ 1929 : Hans Berger 在脑电图中发现了 α 波和 β 波。

○ 1933 : Adrin 展示了临床应用。

③ 脑电图基础知识

○ 时域 : 关于脑电图的失效

○ 频域：关于脑电图频谱

④ 脑电分解

○ 过滤：它消除不需要的信号（例如噪声）。» ○ 傅立叶分析：它将脑电图分离成各种正弦波。

○ 小波分析 ： 它处理时域和频域的信息。根据不确定性原理，时间和频率之间存在权衡。

⑤ 各班脑电活动情况

○ EEG δ 波： 深度睡眠（Steriade，1993）、大规模皮质整合（Bruns & Eckhorn，2004）、新皮质和丘脑网络（Steriade，1999）

○ EEG θ波 : 海马(Kahana et al., 1999)、丘脑核(Hughes et al., 2004)、丘脑皮层环(Talk et al., 1999)、工作记忆功能

○脑电图α波：Berger(1924)、PLI（锁相指数）、相位一致性

○ 脑电图β波

○ 脑电图γ波

⑵ X射线分析

① 伦琴于 1895 年偶然发现了 X 射线。

② X射线的透过率取决于样品的分子量和密度。

○ X 射线分析研究样本或患者的穿透波量。

○ X射线很少能穿透金属、骨头等高分子量、高密度的材料。

○ 透过率：肺（空气）>脂肪>水>白质>灰质>骨骼

○ 组织的透射率越高，图像越暗。

③注射造影剂可观察血管形态。

④ 由于 X 射线分析会受到辐射，如果经常使用，对患者有害。

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⑶ MEG（脑磁图）

⑷ MRI（磁共振成像）（参见此处）

① 第一^第一。 MRI 设备看起来像一个螺线管，由匀场线圈和梯度线圈包围。

② 第二^第二。如果在 MRI 中施加强磁场，1H 原子磁矩的方向会变得与磁场平行。

③ 第三^第。 RF功率放大器发射高振幅的RF（射频）波。

④ 第 4。 NMR（核磁共振）： 1H 使部分 RF 波产生共振，从而吸收能量并从底态变为激发态。

⑤ 第 5。激发的1H的磁矩方向改变。

⑥ 第 6。激发的 1H 变成底态，释放其吸收的能量 (④)，磁矩的方向返回。

○ 不同组织的返回时间差异很大。

⑦ 第 7。磁矩的变化在射频接收器中产生感应电流和电压。

⑧ 第 8。 ADC通过傅里叶变换将射频信号转换为数字信号。

⑨ 9。通过重复第3^rd-8^th过程，1H的可变返回时间可用于成像和MRS（磁共振波谱）。 

⑩ 大脑的侧面视图

⑪ 大脑内侧观

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⑫ 大脑俯视图

⑬ 大脑的冠状视图

⑸ fMRI（功能性磁共振成像）

① 研究BOLD（血氧水平相关）信号。

② OxyHb ： OxyHb 不会造成信号损失，因为它具有抗磁性，不会扭曲环境磁场。

③ DeoxyHb ： DeoxyHb 会造成信号损失，因为它具有顺磁性，会扭曲环境磁场。

④ 初级运动皮层的fMRI图像

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⑤ 运动言语区的fMRI图像

⑥ 感觉言语区的fMRI图像

⑦ 视觉皮层的fMRI图像

⑹ NIRS（近红外光谱）：它使用比尔-朗伯定律

⑺ PET（正电子发射断层扫描）

① 研究葡萄糖同位素的辐射。

⑻ CT（计算机断层扫描）： 3D 计算机分析

① Allan Cormack、Godfrey Hounsfield 因发明 CT 技术而于 1979 年获得小说奖。

② 作为放射源，CT 使用 X 射线或 PET，首选 X 射线。 

③ X射线进行三维定位，并对透射率进行数字量化，从而形成人体横截面图像。

④ 它不是简单的 X 射线，而是澄清各种组织。

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4.大脑功能的控制

⑴ 侵入性工具：给大脑带来相当大的负担。

① EPCS

② DBS（深部脑刺激）

③ 超声波

④ 脑喷图：将空气吹入脑室，形成脑图像。

⑵ 非侵入性工具 ： 限制信息

① TMS（经颅磁刺激）

② 经颅直流电刺激

⑶ 光遗传学

⑷ BBI（脑对脑接口）

5.脑工程实例

⑴ 测谎仪

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⑵ 梦境解码器

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输入：2018.09.19 00:01

1. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
2. 资料来源：http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/CT.html [본문으로]
3. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
4. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
5. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
6. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
7. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
8. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
9. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
10. 资料来源：首尔国立大学医学院 Hwang Yeong Il 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
11. 请参阅 https://jb243.github.io/pages/447 [본문으로]
12. 资料来源：首尔国立大学医学院 Park Seon Won 教授，摘自课程讲义 [본문으로]
13. 来源：http://www.noliemri.com/ [본문으로]
14. 来源：http://www.atelierth.net/bbs_view.php?term_id=6677&id=21933 [본문으로]