注意对稳态视觉诱发电位的调节及脑机接口应用

The steady-state visual evoked potentials (SSVEP) are electrophysiological signals elicited in visual cortical areas by a repetitive flicker, and have the same fundamental frequencies as the driving stimuli. Space-based attention and feature-based attention were both found to affect the amplitude of SSVEPs. Some recent studies demonstrated that object-based attention modulated SSVEPs too. The brain-computer interface (BCI) is a kind of man-machine communication interfaces that do not depend on the brain's normal output pathways of the peripheral nerves and muscles. By now, major input sources of BCIs are electrophysiological signals originated from cerebral cortex, mainly slow cortical potential,ü/β rhythm and P300. Nowadays, BCIs based on them have some obviously limitations in accuracy and efficiency of information transmission and usability. On the one hand, SSVEP-based BCIs could make up these deficiencies in a way. On the other hand, the progresses in exploration of relevance of SSVEPs to attention have provided some solid theoretical foundations for the development of SSVEP-based BCIs. Therefore, the present study will examine the effects of attention on SSVEPs in depth, and then preliminarily construct a SSVEP-based chord speller system and a Chinese character stroke speller system. The study not only contributes to reveal the characteristics and neuromechanism of attention, but also brings up some ideas and methods for the development of new BCIs.

SSVEP是由以固定频率闪烁的视觉刺激所产生的诱发电位。已有证据表明，基于空间的注意和基于特征的注意对SSVEP均具有调节作用。近来的研究也显示，基于客体的注意对SSVEP可能也存在影响。脑机接口是一种不依赖于外周神经和肌肉等常规输出的信息交流界面。目前，脑机接口的输入主要源自大脑活动的电信号，以皮层慢电位、ü/β节律和P300为主。基于这些技术的脑机接口在信息准确率、传递效率和可用性方面均有待提高。我们发现，一方面，基于SSVEP的脑机接口在一定程度上能克服这些局限，而另一方面近年来注意与SSVEP相关性的研究成果丰富了建立基于SSVEP脑机接口的理论基础。鉴于此，本项目致力于考察注意对SSVEP的影响效应，并希望在此基础上初步建立基于SSVEP的和弦拼写系统和汉字笔画拼写系统。本研究不仅有利于进一步揭示注意的特性及其脑机制，而且可为发展这种脑机交互技术提供方法和理论依据。

SSVEP是由以固定频率闪烁的视觉刺激所产生的诱发电位。已有证据证明，基于空间的注意和基于特征的注意对SSVEP均具有调节作用。近来的研究也显示，基于客体的注意对SSVEP也存在影响。脑机接口是一种不依赖于外周神经和肌肉等常规输出的信息交流界面。目前，脑机接口的输入主要源自大脑活动的电信号，以皮层慢电位、μ/β节律和P300为主。基于这些技术的脑机接口在信息传递效率和可用性方面均有待提高。我们认为，一方面，基于SSVEP的脑机接口在一定程度上能克服这些局限，而另一方面，近年来注意与SSVEP相关性研究丰富了建立基于SSVEP脑机接口的理论基础。鉴于此，本研究致力于探讨视觉注意对SSVEP的调节作用及其随刺激特性和注意分布变化的特点，并以此为基础考察基于SSVEP的BCI技术的科学性，尝试建立基于SSVEP输入的汉字笔画拼写系统，为最终为设计和优化基于SSVEP的BCI技术提供了新的思路和理论依据。本研究的结果发现：稳态视觉诱发电位依赖于注意的调节而独立于注视点的变化；基于客体（无论是静态还是动态）的注意对稳态视觉诱发电位具有调节作用，其振幅与注意资源的分配存在对应关系，但不会因视野中其他刺激的存在而发生变化，也不会受刺激数量的显著影响；无论刺激是双侧视野分布还是单侧视野分布，注意分割的现象均存在，但这种存在是有条件的。本研究结论认为，基于注意分割的和弦键盘具有较多的限制，而基于客体注意和按键叠加形式实现的单对多BCI技术具有科学性和可行性。同时，采用同频变化的冗余编码技术，有利于提高基于SSVEP的BCI技术的识别率。本研究的成果不仅有利于揭示注意的特性及其脑机制，而且对设计和优化基于SSVEP的BCI有很强的理论意义。