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[印度] 拉杰什 P.N.拉奥 著，陈民铀 译

图书标签:

• 脑机接口
• 神经科学
• 生物工程
• 人工智能
• 可穿戴设备
• 神经技术
• 医学工程
• 人机交互
• 认知科学
• 未来科技

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111539957

版次：1

商品编码：11946307

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 计算机科学丛书

开本：16开

出版时间：2016-07-01

用纸：胶版纸

页数：270

内容简介

脑机接口技术是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术，近年来随着神经科学和工程学的长足进展，脑机接口技术愈来愈引起学术界和工业界的关注和重视。本书是本讲述脑机接口理论及应用的入门教材。

目录

Brain-Computer Interfacing:An Introduction
出版者的话
译者序
前言
第一部分　背景知识
第1章　引言2
第2章　神经科学基础4
2.1　神经元4
2.2　动作电位或锋电位5
2.3　树突和轴突5
2.4　突触5
2.5　锋电位的产生6
2.6　神经连接的调节：突触可塑性7
2.6.1　LTP7
2.6.2　LTD7
2.6.3　STDP7
2.6.4　短期激励和抑制8
2.7　大脑组织、解剖学结构和功能9
2.8　小结11
2.9　问题和习题11
第3章　记录大脑信号和刺激大脑12
3.1　记录大脑信号12
3.1.1　侵入式技术12
3.1.2　非侵入式技术17
3.2　刺激大脑22
3.2.1　侵入式技术22
3.2.2　非侵入式技术23
3.3　同步记录和刺激24
3.3.1　多电极阵列24
3.3.2　神经芯片25
3.4　小结26
3.5　问题和习题26
第4章　信号处理28
4.1　锋电位分类28
4.2　频域分析29
4.2.1　傅里叶分析29
4.2.2　离散傅里叶变换32
4.2.3　快速傅里叶变换33
4.2.4　频谱特征33
4.3　小波分析33
4.4　时域分析34
4.4.1　Hjorth参数34
4.4.2　分形维数35
4.4.3　自回归模型36
4.4.4　贝叶斯滤波36
4.4.5　卡尔曼滤波38
4.4.6　粒子滤波40
4.5　空间滤波41
4.5.1　双极、拉普拉斯和共同平均参考41
4.5.2　主成分分析41
4.5.3　独立分量分析44
4.5.4　共空间模式46
4.6　伪迹去除技术48
4.6.1　阈值法48
4.6.2　带阻和陷波滤波48
4.6.3　线性模型49
4.6.4　主成分分析49
4.6.5　独立分量分析51
4.7　小结51
4.8　问题和习题51
第5章　机器学习54
5.1　分类技术54
5.1.1　二分类54
5.1.2　集成分类技术59
5.1.3　多分类61
5.1.4　分类性能的评估64
5.2　回归方法66
5.2.1　线性回归67
5.2.2　神经网络与反向传播算法68
5.2.3　径向基函数网络70
5.2.4　高斯过程71
5.3　小结73
5.4　问题和习题73
第二部分　构建系统
第6章　构建BCI78
6.1　BCI的主要类型78
6.2　对构建BCI有用的大脑反应78
6.2.1　条件反射78
6.2.2　集群行为79
6.2.3　想象运动和认知行为79
6.2.4　刺激诱发行为80
6.3　小结80
6.4　问题和习题81
第三部分　BCI的主要类型
第7章　侵入式BCI84
7.1　侵入式BCI的两个主要范式84
7.1.1　基于操作性条件反射的BCI84
7.1.2　基于集群解码的BCI86
7.2　应用于动物的侵入式BCI87
7.2.1　控制假臂和手的BCI87
7.2.2　控制下肢的BCI98
7.2.3　控制光标的BCI100
7.2.4　认知型BCI104
7.3　应用于人的侵入式BCI108
7.3.1　植入多电极阵列控制光标和机器人108
7.3.2　认知型BCI111
7.4　侵入式BCI的长期使用112
7.4.1　BCI的长期使用和稳定皮质代表区的形成112
7.4.2　植入人脑的BCI的长期使用114
7.5　小结114
7.6　问题和习题114
第8章　半侵入式BCI117
8.1　基于皮质脑电信号（ECoG）的BCI117
8.1.1　基于ECoG的动物用BCI117
8.1.2　基于ECoG的人用BCI118
8.2　基于外周神经信号的BCI134
8.2.1　神经型BCI134
8.2.2　目标肌肉神经分布重建135
8.3　小结137
8.4　问题和习题138
第9章　非侵入式BCI140
9.1　基于脑电信号的BCI140
9.1.1　振荡电位和ERD140
9.1.2　慢皮质电位148
9.1.3　运动相关电位151
9.1.4　刺激诱发电位153
9.1.5　基于意识任务的BCI158
9.1.6　BCI的错误电位159
9.1.7　互适应型BCI160
9.1.8　分层型BCI161
9.2　其他非侵入式BCI:fMRI、MEG和fNIR162
9.2.1　基于功能性磁共振成像的BCI162
9.2.2　基于脑磁图的BCI162
9.2.3　基于功能性近红外光学成像的BCI164
9.3　小结164
9.4　问题和习题165
第10章　BCI的刺激修复作用167
10.1　感觉功能恢复167
10.1.1　恢复听力：人工耳蜗167
10.1.2　恢复视力：皮质和视网膜的植入169
10.2　运动恢复171
10.3　感觉扩增172
10.4　小结173
10.5　问题和习题173
第11章　双向与循环型BCI175
11.1　通过刺激产生直接的皮质指令控制光标175
11.2　使用BCI和体觉刺激实现主动触觉探索178
11.3　迷你机器人的双向BCI控制180
11.4　通过功能性电刺激实现肌肉的脑皮质控制182
11.5　建立脑区间的新联系183
11.6　小结186
11.7　问题和习题186
第四部分　应用和伦理
第12章　BCI的应用190
12.1　医学领域的应用190
12.1.1　感觉恢复190
12.1.2　运动恢复190
12.1.3　认知恢复191
12.1.4　康复治疗191
12.1.5　使用菜单、光标和拼写器实现交流191
12.1.6　脑控轮椅192
12.2　非医学领域的应用193
12.2.1　网页浏览和虚拟世界导航193
12.2.2　机器人替身195
12.2.3　高流通量的图像搜索197
12.2.4　测谎和法律领域的应用199
12.2.5　警觉性监测202
12.2.6　估算认知负荷204
12.2.7　教育和学习206
12.2.8　安保、身份识别和验证208
12.2.9　利用外骨骼扩增身体能力209
12.2.10　记忆和认知的放大209
12.2.11　航空领域的应用211
12.2.12　游戏和娱乐213
12.2.13　脑控制艺术214
12.3　小结216
12.4　问题和习题216
第13章　脑机接口的道德规范218
13.1　医学、健康和安全问题218
13.1.1　平衡风险和利益218
13.1.2　知情同意219
13.2　BCI技术的滥用219
13.3　BCI的安全性和隐私性220
13.4　法律问题220
13.5　道德和社会公平问题221
13.6　小结222
13.7　问题和习题222
第14章　结论224
附录A　数学背景知识226
参考文献237
索引248

前言/序言

Brain-Computer Interfacing:An Introduction
“科学家演示了思维控制的机器人”(PC杂志，2012年7月9日)
“仿生视觉：令人惊叹的全新眼睛芯片帮助两个英国盲人重见光明”（Mirror,2012年5月3日）
“瘫痪者用他们的意识控制机器人”（New York Times,2012年5月16日）
“史蒂芬·霍金试用了能够解读他意识的设备”（New Scientist,2012年7月12日）
这些来自于2012年短短几周中的头条新闻说明了媒体和公众对脑机交互的思想越来越关注。这些新闻中尚未阐述清楚的问题是：（a）当前的脑机接口（brain-computer interface,BCI）能够或不能够完成什么（BCI有时称为BMI，即brain-machine interface）？(b)在神经科学和计算科学中何种技术进步能够使这些BCI实现?(c)有哪些可用的BCI类型？（d）这些BCI有什么应用领域，又会带来哪些伦理上的问题？本书旨在回答这些问题，并为读者提供BCI及BCI技术的系统性知识。
内容概要　　本书对脑机接口领域进行了介绍（这个领域也被称作BMI、神经接口、神经修复、神经工程）。在过去几年里，这个领域中已经出版了一些极其有用的书籍（Dornhege等人，2007；Tan & Nijholt,2010;Graimann等人2011;Wolpaw &Wolpaw;,2012）。当下，为那些在工程学或神经科学方面没有深厚基础的读者出版一本入门级教材的需求日益增加。本书旨在满足这一需求。本书可以作为高年级本科生和一年级研究生学习脑机接口及神经工程学的教材，还可以作为自学教材，或作为研究者、应用者和那些有兴趣加入这个领域的读者的参考书。
本书先为读者介绍神经科学的基本思想、概念和技术，大脑信号的记录和刺激技术，信号处理和机器学习，然后介绍BCI的主要类型及应用。每章后面的问题和习题让读者能回顾前面的知识并检测自己对本章要点的理解。一些习题（带有标记）让读者可以根据研究刊物及网上获取的新信息探索本书没有涉及的内容。
本书章节构成如下：第1章到第5章给出了在神经科学和量化技术方面必要的基础知识，以便读者理解构造BCI所使用的术语和方法。在第6章中，通过学习BCI的基本构成，我们开始了进入BCI世界的旅途。本书的下一部分根据使用的信号采集技术，为读者介绍BCI的三个主要类型。第7章描述了侵入式的BCI，这类BCI需要使用植入到大脑内的设备。第8章描述了半侵入式BCI，这类BCI是基于神经信号的设备或安置在大脑表面的设备。第9章介绍了非侵入式BCI，比如采用在头皮上记录的电信号（EEG）。第10章介绍了通过刺激大脑来恢复失去的感觉或运动功能的BCI。第11章介绍了通用的BCI，即可以记录脑电和刺激大脑的BCI。对每一种类型，本书都举例说明了其经典实验以及当前新的技术（到2013年为止）。第12章介绍了BCI的一些主要应用。第13章介绍了与BCI技术的发展和使用相关的伦理问题。第14章为总结篇，该章对当前BCI的局限做了小结，并展望了这一领域的发展前景。本书还包括一个附录，给出了BCI所涉及的线性代数和概率论中的基本数学知识。
网址　　本书的网址是bci.cs.washington.edu。
由于BCI领域发展迅速，因此该网站会定期更新与BCI研究相关的有用链接。
由于作者水平有限，书中难免会有缺漏和错误，恳请广大读者指正，发现的错误将刊登在本书网站的勘误表上。
封面图像　　原书封面是一个使用基于皮质脑电的BCI控制光标的人脑图像(见8.1节)。大脑中明亮的红色区域显示，当受试者通过想象手的运动来控制光标移至电脑屏幕上的目标区域时，运动皮质的手部区域活动会增强。这幅图像由Jeremiah Wander制作,他是华盛顿大学生物医学的研究生，也是该大学网络和神经系统实验室的成员。
致谢　　我要感谢来自剑桥大学出版社的Lauren Cowles，尽管多次错过截稿日期，她还是一如既往地对本书写作给予鼓励和支持。也要感谢华盛顿大学的感觉运动神经工程（CSNE）和BCI小组,尤其是我的合作者Jeffrey Ojemann、Reinhold Scherer(现在在TU Graz)、Felix Darvas、Eb Fetz和Chet Moritz，他们为本书写作给予了大量指导，并进行了很多次有价值的讨论。神经系统实验室的学生是BCI研究永不枯竭的灵感和新观点的源泉。他们让我乐此不疲，感谢以下学生：Christian Bell、Tim Blakely、Matt Bryan、Rawichote Chalodhorn、Willy Cheung、Mike Chung、Beau Crawford、Abe Friesen、David Grimes、Yanping Huang、Kendall Lowrey、Stefan Martin、Kai Miller、Dev Sarma、Pradeep Shenoy、Aaron Shon、Melissa Smith、Sam Sudar、Deepak Verma和Jeremiah Wander。Pradeep是我早期教授的一门BCI课程的助教，协助我组织了该课程的结构，这是本书的基础。Sam是后来的一个助教，他对课程材料给予了有价值的建议。Kai帮助建立了与从事BCI研究的医学院的早期合作，他也在实验室开启基于皮质脑电的BCI研究上起了重要作用。
很多基金资助机构支持我的研究及本书的写作，包括美国国家科学基金会（NSF）、帕卡德基金会、美国国立卫生研究院（NIH）、美国海军研究所（ONR）认知科学项目、国家科学基金会下设的感觉神经工程研究中心（CSNE）和陆军研究办公室(ARO)。衷心感谢他们的支持。本书的部分章节是在风景优美的Friday Harbor实验室的Whiteley写作中心完成的，该中心为我迫在眉睫的写作进程提供了良好的环境。
非常感谢我在印度Kendriya Vidyalaya Kanchanbagh（KVK）的老师们，在德克萨斯州安吉罗州立大学的教授们，在美国罗彻斯特大学的博导Dana Ballard，以及我在索尔克研究所的博士后导师Terry Sejnowski，他们对我以后的研究和教学生涯提供了坚实的数学和科学基础。十分感谢我的父母，他们始终给予我支持，并在我小时候就用满屋的书籍激发了我对科学的好奇心。对我的孩子Anika和Kavi，很抱歉在写作期间没能给予他们应有的关怀，但他们依然无条件地支持我。后，感谢妻子Anu给予我的灵感和坚定不移的支持，这些都伴随着我走过多年的写作时光。没有她，这本书便不可能完成。

《神经织网：意识的触手与数字的未来》 内容简介 在人类探索自身奥秘的漫长征途中，我们从未停止对思想本质的追问。意识，这个最古老也最深刻的谜团，它如何从碳基的物质载体中升腾而起？记忆的丝线如何编织成我们对过往的认知？情感的洪流又是如何涌动，驱动着我们的行动？长久以来，这些问题大多停留在哲学与文学的思辨范畴，或是被局限于生物学与神经科学的微观解析。然而，随着科技的飞速发展，一股新兴的力量正悄然崛起，它试图以一种前所未有的方式，连接起人类最为精妙的内在世界与日新月异的外部数字疆域。《神经织网：意识的触手与数字的未来》便是在这样的时代背景下，对这一革命性前沿领域进行的一次深入、广博且富有前瞻性的探索。 本书并非简单罗列技术名词，而是致力于勾勒出“意识的触手”——即我们大脑的复杂网络——如何逐渐被理解、被描绘，并最终被赋予延伸至数字世界的能力。我们将从神经科学最核心的疆域出发，深入剖析大脑这一宇宙中最精巧的计算引擎。从神经元的电化学信号传递，到神经网络的协同工作，再到大脑皮层不同区域的功能分化与整合，本书将层层剥开这层神秘的面纱。读者将了解到，我们所感知、思考、记忆、甚至感受爱与恨，其背后都有一套极其复杂的生物电信号与化学物质相互作用的精密机制。我们将追溯神经科学研究的源头，回望早期对大脑结构的认知，进而深入当下最前沿的脑成像技术，如fMRI（功能性磁共振成像）、EEG（脑电图）和 MEG（脑磁图）等，它们如何让我们得以“窥探”活体大脑的活动，捕捉思维火花的闪烁。 然而，理解大脑的运作仅仅是第一步。真正令人着迷的是，我们如何能够“读懂”这些信号，并反过来，如何能够“写入”信息，从而与大脑建立起双向的沟通渠道。《神经织网》将深入探讨这一关键的技术飞跃。我们将详细介绍各种“神经接口”的原理与发展历程，从早期较为粗糙的电极植入技术，到如今更为精细、微创甚至无创的信号采集与调控方法。本书将详述各种接口的分类，包括侵入式（如皮层电极阵列）和非侵入式（如脑电帽、经颅磁刺激等），分析它们各自的优缺点，以及它们在不同应用场景下的适宜性。我们将揭示，这些接口并非冷冰冰的仪器，而是正在被设计得越来越“智能”，它们能够辨别特定的神经活动模式，从而解析出用户的意图、情绪，甚至是模糊的图像或声音。 更进一步，本书将重点关注这些神经接口如何实现与数字世界的无缝对接。这不仅意味着将大脑信号转化为数字指令，更意味着将数字信息直接传递给大脑，绕过传统的感官通道。本书将深入探讨“神经编码”与“神经解码”的复杂技术。神经编码研究的是大脑如何将外部信息转化为神经信号，而神经解码则是在反方向上，尝试从神经信号中重构出原始信息。例如，我们能否让瘫痪的病人通过意图控制假肢，甚至直接在大脑中“看到”由计算机生成的图像？我们能否让宇航员在太空环境中，直接通过思维完成复杂的指令操作？《神经织网》将通过生动的案例和详实的理论，展示这些曾经只存在于科幻小说中的场景，正在被逐一变为现实。 本书的独特之处在于，它将这些前沿的神经科学与工程技术，置于一个更广阔的社会、伦理与哲学框架之下进行审视。当我们的思想能够与机器直接交互，当记忆与数字信息可以被读取、存储甚至修改，人类存在的边界又将如何被重新定义？《神经织网》将大胆地探讨这些深远的问题。我们将审视神经接口在医疗领域的巨大潜力，例如帮助恢复运动功能、治疗神经系统疾病（如帕金森病、癫痫）、甚至改善认知障碍。但同时，本书也将毫不回避地讨论随之而来的伦理挑战：隐私的边界在哪里？谁拥有我们大脑数据的控制权？“读心术”的出现是否会威胁到个人自由？当技术能够影响甚至塑造我们的思想和情感，我们又该如何保证个体的自主性？ 除了医疗应用，《神经织网》还将展望神经接口在其他领域的革命性影响。想象一下，未来我们可以通过思维瞬间搜索互联网，与远方的人进行“心灵感应”式的交流，甚至体验虚拟现实世界，而无需任何外部设备。本书将探讨这些可能性，并分析它们将如何改变我们的工作方式、学习方式、娱乐方式，乃至人际关系。我们将看到，神经接口不仅仅是技术工具，更是连接人类意识与数字文明的桥梁，它们可能重塑我们对“现实”的感知，并开启全新的存在模式。 《神经织网：意识的触手与数字的未来》并非一部简单的科普读物，它更像是一次思想的旅行，带领读者穿越人类大脑的复杂迷宫，潜入神经信号的深层海洋，并最终抵达数字与生物智能交汇的黎明。本书旨在激发读者对自身智能的更深层理解，对科技发展的更理性思考，以及对人类未来的更广阔想象。它适合所有对神经科学、人工智能、未来科技以及人类意识的奥秘感兴趣的读者。无论您是学生、研究者，还是仅仅对人类潜能充满好奇的探索者，《神经织网》都将为您打开一扇通往未知世界的窗户，让您得以窥见一个由思想与代码交织而成的、充满无限可能的新时代。

评分☆☆☆☆☆

刚拿到这本书的时候，我其实并没有抱太大的期望，觉得可能就是一本泛泛而谈的科普读物。但事实证明，我的预感完全错了。这本书的深度和广度都超出了我的想象。它并没有简单地罗列名词和概念，而是深入到脑机接口技术的底层逻辑，解释了为什么它能够实现，以及在技术实现过程中会遇到哪些挑战。我尤其欣赏作者在讨论伦理问题时的审慎和深度。脑机接口技术的发展，无疑会带来很多深刻的社会和伦理上的考量，比如隐私、公平性、以及人类的定义等等。作者并没有回避这些问题，而是从不同的角度去探讨，引用了许多学者的观点，引导读者进行独立的思考。读完之后，我感觉自己的思维都被拓宽了，不再仅仅是看到技术的进步，而是能够更全面地审视它可能带来的影响。这本书让我明白，科学的发展从来都不是孤立的，它与社会、人文、伦理息息相关，需要我们用更宏观的视角去理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙述方式可以说是相当独特的。它没有采用传统的学术论文那种严谨但略显枯燥的笔法，而是更像是和一位经验丰富、知识渊博的导师在进行一场深入的对话。作者在写作过程中，充分考虑到了读者的接受能力，时不时地抛出一些引人深思的问题，引导读者去主动思考。我常常在阅读的过程中，不自觉地停下来，回味作者提出的观点，并尝试着去理解其中的深层含义。书中对于一些关键的技术细节，虽然没有给出过于详尽的公式推导，但却能够以一种通俗易懂的方式，将核心原理阐述清楚，并且会适当地给出一些相关的研究文献，方便有兴趣的读者进行深入的钻研。这种“点到为止”但又不失深度的写作风格，让我觉得非常受用。它既没有因为科普而牺牲掉科学的严谨性，也没有因为学术性而让普通读者望而却步。

评分☆☆☆☆☆

从这本书中，我收获了远超我预期的知识。它不仅仅是关于脑机接口的介绍，更是一扇通往更广阔的科学世界的大门。书中涉及的神经科学、计算机科学、工程学等多个学科的交叉融合，让我看到了知识体系的联动效应。我开始意识到，很多看似独立的科学领域，其实都存在着千丝万缕的联系。作者在讲解脑机接口技术时，会顺带提及相关的基础理论，并且会介绍一些跨学科的研究方法，这对于我这样希望拓展知识边界的读者来说，无疑是一笔宝贵的财富。读完这本书，我感觉自己的知识结构得到了极大的丰富，也对未来学习的方向有了更清晰的认识。我迫不及待地想要去探索更多与脑机接口相关的领域，将这本书中所学到的知识融会贯通，并在此基础上进行更深入的学习和研究。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的震撼，在于它所展现出的未来图景。作者不仅仅是介绍现有的技术，更是对未来脑机接口的发展趋势进行了大胆的预测和分析。我仿佛看到了一个全新的世界，在那里，人类可以用意念来控制机械，可以与人工智能进行更深层次的交流，甚至可以修复受损的大脑功能，重新获得生活的希望。书中的一些案例，比如帮助残疾人重新获得行动能力，或者通过脑机接口实现人机协同工作，都让我感到无比兴奋和激动。虽然我知道这些技术距离大规模应用还有一段距离，但这本书让我看到了清晰的路径和无限的可能性。它激起了我内心深处对科学探索的渴望，也让我对人类的创造力有了更深的敬畏。读完这本书，我感觉自己不再是一个被动的信息接收者，而是成为了一名对未来充满期待的探索者。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的像一本知识的宝库，打开它的第一页，我就被深深吸引住了。作者以一种非常生动有趣的方式，将那些原本可能枯燥乏味的科学原理娓娓道来。我之前对脑机接口这个领域只停留在科幻电影的层面，觉得它离我们很遥远，充满了神秘感。但读了这本书，我才了解到，原来它已经发展到如此深入的程度，并且在许多领域都有着实际的应用前景。书中不仅仅是理论的堆砌，还穿插了大量的历史故事、科学家的探索历程，以及一些令人惊叹的最新研究成果。我特别喜欢作者在讲解一些复杂概念时，会巧妙地运用类比，让我这个非专业人士也能轻松理解。比如，当讲到信号处理的时候，作者用了“给大脑写信”的比喻，一下子就点醒了我。而且，这本书的结构也很清晰，从基础概念讲到前沿技术，层层递进，让人感觉学习的过程非常顺畅。读完这本书，我感觉自己对大脑的认识又提升了一个层次，也对科技的力量有了更深刻的理解。

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