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2023-08-05
2023-08-05
由中国指挥与控制学会和鹏城实验室共同主办，cicc虚拟现实与人际交互委员会承办，智能博弈与决策实验室、华南理工大学、中山大学、南方科技大学、西安电子科技大学广州研究院协办，北京洞见未来会展有限公司执行的2023全国虚实融合交互大会于7月28-30日在广州市珠江宾馆会议中心举办。
2023年7月30日，在2023全国虚实融合交互大会30日上午《人机工效与交互效能增强论坛》上，天津大学医学部副主任刘爽副教授作“情感脑机接口在精神医学中的应用”主题报告，从情绪的响应机制、情绪识别方法和情绪调控技术三个方面展开讲解，着重介绍了情感脑机接口面向精神医学与康复工程、特种医学与人机工程等重大领域的工程应用，并提出要通过新原理、新技术和新系统快速演进发展，充实我国战略科技力量。
图一：主题报告——情感脑机接口在精神医学中的应用
报告开始，刘爽副教授介绍了精神医学领域中常见精神疾病如抑郁症的主要症状及其发病率和确诊人数等数据，强调了精神医学中发病率、复发率和自杀率高以及精神疾病难以治愈的特点。刘爽副教授介绍了临床上对精神疾病如抑郁症的诊断和治疗流程，医生聆听患者主诉症状并自身临床经验进行诊断，具有主观性强、一致性差且误诊率高的特点，同时，仅通过药物治疗和心理治疗导致部分患者承受较大副作用且具有一定耐药性。报告中用误诊率和治愈率的数据说明了精神疾病诊断治疗方面的不足，提出通过情感脑机接口对抑郁等精神疾病进行诊断治疗的有效性和必要性。
图二：抑郁症的主要病症及其确诊数据
图三：抑郁症的临床诊断方法和治疗方法的不足
紧接着，刘爽副教授从诱发范式、响应模式、识别方法和调控技术四个方面介绍了面向抑郁诊疗的情感脑机接口系统。由于脑电信号的gamma震荡与高级认知功能密切相关，但信号频率越高则幅值越低从而信噪比低，导致抑郁精神疾病的特征提取困难，因此设计了一种gamma听觉稳态响应assr诱发范式，通过40hz的chirp和click信号诱发稳态gamma震荡以解决该类问题。
图四：面向抑郁诊疗的情感脑机接口系统
图五：gamma震荡的信噪比
从诱发范式中得到干净的、高信噪比的信号后，刘爽副教授对其进行了夹带响应和源定位的一系列研究。团队采集了正常受试者和抑郁症受试者的脑电数据进行对比研究，其结果发现抑郁患者诱发信号中夹带响应的幅值显著低于正常人，且对assr信号进行溯源后发现边缘叶对高频信号处理起到了关键作用。
图六：正常受试者和抑郁症受试者gamma震荡的夹带响应与源定位
同时，刘爽副教授团队分析了assr时频编码模式，研究发现患者的assr信号显著低于正常受试者，即从声音刺激开始到结束过程中，患者时频信号具有显著不足。通过计算脑区功能连接模式后，团队发现患者额叶和右侧听觉皮层之间的信息交流能力受损，对chirp和click的特征进行分类识别后发现识别的特异性和敏感性均达到了90%以上，这表明这两类信号的时频及连同性特征有望成为抑郁识别的靶标。
图七：assr时频编码模式和脑区功能连接模式分析
图八：chirp和click的特征分类识别结果
除了高频段gamma震荡以外，刘爽副教授团队还对不同频段脑震荡之间的交叉频率耦合进行了分析，通过计算相位幅值耦合（pac）的theta-gamma耦合，研究发现在gamma听觉刺激期间患者左侧额中央区的theta-gamma的pac有显著下降，而在听觉准备区间则有显著提升，且与抑郁程度呈现负相关。
图九：相位幅值耦合（pac）的调制指数
图十：相位幅值耦合（pac）的theta-gamma耦合结果
接着，刘爽副教授团队选择了与人类同源的啮齿动物大鼠作为局部场电位的研究对象，将神经电极插入大鼠颞区组织中采集局部场电位信号，采用慢性应激诱导的模型成功在八周之后诱导出大鼠的抑郁和焦虑样行为。随后对抑郁大鼠和正常大鼠播放40hz的chirp和click声音刺激并采集它们的局部场电位，研究发现静息态中抑郁鼠左侧和右侧颞区gamma频段的功率谱显著低于正常鼠，且theta-gamma交叉频率耦合呈现显著下降的趋势。
图十一：大鼠的慢性应激诱导模型及诱发范式
研究显示，抑郁大鼠在40hz的assr响应诱发幅值中显著不足，表明assr与抑郁行为显著相关。针对该现象，刘爽副教授团队设计了临床靶向性tacs调控策略，经过两周的调控后，抑郁大鼠的抑郁临床症状有显著缓解，同时，抑郁鼠的itpc值与正常鼠达到了相同水平。这表明tacs可以作为抑郁症治疗的潜在靶标，该方法可作为抑郁症治疗的潜在方法。
图十二：抑郁大鼠的assr响应诱发幅度
图十三：临床前靶向性tacs调控结果
紧接着，刘爽副教授在报告中表示，团队研究的动态脑网模型抑郁诊断系统在中南大学湘雅二医院和天津市安定医院等进行了临床测试，且相关技术已应用到中国人民武警部队抑郁状态筛查中。
图十四：动态脑网模型在抑郁诊断中的应用
刘爽副教授在报告中还介绍了精神分裂症的相关病症和脑电信号特征情况，通过聚类系数、局部效率和全局效率的全脑水平拓扑参数分析发现精分患者的大脑分散性活动会增加，且患者大脑整体信息交换会更活跃。研究显示，患者在颞叶和额叶区域的结果呈现完全相反，精分患者在颞叶的节点度显著高于正常人，而额叶则显著低于正常人，这表明精分患者的听觉皮层处于过度活跃的状态，而额叶活跃度较低。
图十五：精神分裂症的病症及患者脑电信号特征
紧接着，刘爽副教授在报告中介绍了情感脑机接口系统在焦虑症患者中的临床应用，团队开发的基于虚拟现实和神经反馈技术的焦虑调节系统通过放松训练、注意力训练和焦虑调节等方式涵盖多风格场景进行脑电神经反馈，具有较好的临床效果。该技术也应用于“神十三”、“神十四”的飞行员脑力负荷和警觉度检测当中。
图十六：基于虚拟现实和神经反馈技术的焦虑调节系统
图十七：情感脑机接口技术在航空航天中的应用
在报告的最后，刘爽副教授提出了关于无创脑机接口的一些思考和建议。她表示美欧等国家在无创脑机接口领域注入了大量商业资本而我国在此方面有所不足。值得肯定的是，我国在无创脑机接口领域的技术虽然起步晚但是发展迅速，目前我国在该领域的技术处于国际先进水平，但我国的高端人才储备不足，且该领域的技术尚未成为国家战略科技力量，因此希望有更多的学者加入无创脑机接口领域进行探讨研究。
图十八：无创脑机接口领域的国内外发展形势
刘爽，天津大学医学工程与转化医院研究院副教授、正高级工程师、天津大学医学部副主任。2018获得天津大学博士学位。研究方向主攻情感脑机接口关键技术及其在精神疾病、航天医学中的应用，抑郁症、精神分裂症、焦虑症、孤独症等精神疾病的脑机制、评估方法及调控技术研究。作为负责人主持中央军委创新特区专项、国家自然科学基金、天津市面上基金及航天合作等多个项目，以第一作者或通讯作者在int j psychophyslol等发表学术论文20余篇，获国家发明专利17项，国际专利pct2项，获天津市技术发明一等奖等。
撰稿人：陈悦
