脑机接口技术基础

1. 原著为2025年出版新书，系统梳理了从神经信号采集、解码和通信，到面向不同疾病的临床应用的完整技术路径。以闭环神经技术为核心理念，强调多模态信号整合，强化从实验室研究到临床转化的可操作性。知识体系完整、多模态技术覆盖、教学资源丰富，在内容深度与广度、技术谱系完整性、案例实用性，以及对前沿发展的关注方面具有明显优势。 2. 系统梳理了从神经信号采集、解码和通信，到面向不同疾病的临床应用的完整技术路径，兼顾科学性与实践性。聚焦神经技术基础，系统介绍了神经信号机制、数据处理、实际应用的完整知识体系。 3. 技术部分配有具体参数设定与实验设计指南，具有高度可执行性。伦理挑战与未来发展设为独立章节，正视脑数据隐私、技术滥用等现实问题，有助于规范临床安全使用。 4. 本书配套学习工具，附带“简答题”数字资源，辅助学习。

本书为聚焦脑机接口（BCI）技术的权威著作，系统梳理了从神经信号采集、预处理、特征提取到临床应用的完整技术路径。全书以“神经技术闭环”为核心理念，强调多模态信号整合，深入比较非侵入性（如 EEG、fMRI、fNIRS）与侵入性（如 SUA、ECoG）方法在时空分辨率与应用场景中的优势与局限，并引入功能性超声、柔性电极等前沿技术，强化从实验室研究到临床转化的可操作性。书中不仅涵盖信号预处理与机器学习算法的实用细节，还通过ALS等真实案例展示BCI系统在运动障碍与沟通障碍患者中的应用成效，兼顾科学性与实践性。技术部分配有具体参数设定与实验设计指南，具高度可执行性。作者将伦理挑战与未来发展设为独立章节，正视脑数据隐私、技术滥用等现实问题，体现对社会责任的关注。

高小榕，中国“脑机接口50人论坛”首席专家，中国神经工程及脑机接口学科的主要创建者之一。清华大学生物医学工程学院长聘教授，神经工程实验室主任，博士研究生导师。中国生物医学工程学会医学神经工程分会主任委员，发表论文200余篇（含Nature Communications、PNAS等顶刊），谷歌学术引用超万次，连续十余年入选“中国高被引学者”（2014—2025年）。主导制定中国脑机接口技术标准，组织“中国脑机接口比赛”，推动技术开源与产学研融合，其研究奠定了国内无创脑机接口的理论与技术基础。创建清华大学神经工程实验室，主导建成国内首个神经美学交叉研究平台，将脑机接口技术拓展至艺术与人文领域。
赵继宗，中国科学院院士，国家神经系统疾病临床医学研究中心主任，北京脑科学与类脑研究中心专家委员会副主任，首都医科大学神经外科学院院长。我国脑机接口研究的先行者和推动者，率先布局脑机接口在神经外科领域的转化应用，建立了融合临床与工程的高水平脑机接口研究平台，推动从传统损伤修复向神经功能重建的范式转变。中华医学会神经外科学分会第四、五届主任委员，兼任多家国际神经外科期刊编委。

第1章神经技术简介/1

1.1神经技术起源/4

1.2脑神经信号读取技术/4

1.2.1脑电图技术发展史/5

1.2.2脑磁图技术发展史/5

1.2.3功能性近红外光谱技术发展史/6

1.2.4功能磁共振成像发展史/6

1.2.5功能超声发展史/6

1.2.6有创技术发展史/7

1.3脑活动干预技术/7

1.3.1深部脑刺激发展史/8

1.3.2经颅直流电刺激发展史/8

1.3.3经颅磁刺激发展史/9

1.4人体功能增强与修复技术/9

1.4.1脑机接口发展史/10

1.4.2神经反馈发展史/10

参考文献/12

第2章无创脑信号采集技术/14

2.1脑信号的神经生理学起源/16

2.1.1脑电图的神经生理学起源/18

2.1.2眼电图的神经生理学起源/20

2.1.3功能性近红外光谱技术的神经生理学起源/22

2.1.4功能磁共振成像的神经生理学起源/23

2.1.5脑磁图的神经生理学起源/24

2.1.6功能超声成像的神经生理学起源/25

2.2脑信号采集硬件的工作原理/27

2.2.1脑电图硬件设备/27

2.2.2近红外光谱硬件/32

2.2.3功能磁共振成像硬件/35

2.2.4脑磁图硬件/38

2.2.5功能超声硬件系统类型/39

参考文献/42

第3章有创脑信号采集技术/48

3.1深入探究人类大脑/49

目录

12

3.2神经系统的电学基础/52

3.3有创信号的神经生理学起源/55

3.3.1单神经元活动的神经生理学起源/56

3.3.2多神经元活动的神经生理学起源/57

3.3.3局部场电位的神经生理学起源/58

3.3.4皮质脑电图的神经生理学起源/58

3.4电极/60

3.4.1非穿透性电极/60

3.4.2穿透性电极/60

3.5细胞外记录中的信号稳定性：挑战与解决方案/62

3.5.1增强信号稳定性的策略/62

3.6脑信号比较/64

3.6.1无创技术/64

3.6.2有创技术/65

参考文献/69

第4章脑信号数据的预处理技术/74

4.1生理性伪影/77

4.1.1心搏伪影（脉搏伪影）/78

4.1.2呼吸伪影/78

4.1.3眼电伪影/79

4.1.4肌电噪声/79

4.1.5皮肤电反应/79

4.1.6运动伪影/81

4.1.7毛细血管波动/81

4.2环境噪声/81

4.2.1电磁干扰/81

4.2.2振动与运动/81

4.2.3温度与湿度波动/82

4.3脑信号的预处理/83

4.3.1归一化与标准化/83

4.3.2基线校正/84

4.3.3滤波/84

4.4脑电信号的预处理/86

4.4.1回归法/86

4.4.2盲源分离/87

4.4.3典型相关分析/89

4.4.4小波变换/89

4.4.5预处理效果/91

4.5功能磁共振成像信号的预处理/94

4.5.1质量保证/94

4.5.2层间时间校正/94

4.5.3头动校正/95

4.5.4畸变校正/95

4.5.5时域滤波/95

4.5.6空间平滑/96

4.5.7生理噪声校正/96

4.5.8功能-结构共配准/96

4.5.9空间标准化/96

4.5.10预处理效果/97

4.6功能性近红外光谱技术信号的预处理/100

4.6.1比尔-朗伯定律/100

4.6.2修正比尔-朗伯定律/100

4.6.3预处理效果/101

4.7脑磁图信号的预处理/103

4.8有创脑记录的预处理/106

4.8.1预处理效果/107

参考文献/111

第5章基于脑数据的机器学习/117

5.1脑信号的特征提取与选择/119

5.1.1脑信号特征提取/119

5.1.2脑信号特征选择/121

5.2基于脑数据的机器学习：原因/124

5.3基于脑数据的机器学习：方法/124

5.3.1监督学习/124

5.3.2半监督学习/126

5.3.3强化学习/126

5.3.4无监督学习/127

5.4基于脑数据的深度学习/129

5.5基于脑电图的特征工程与机器学习/132

5.5.1示例1/132

5.5.2示例2/133

5.6基于功能磁共振成像的特征工程与机器学习/134

5.6.1示例1/134

5.6.2示例2/136

5.7基于近红外光谱技术的特征工程与机器学习/136

5.7.1示例1/136

5.8基于脑磁图的特征工程与机器学习/137

5.8.1示例1/137

5.8.2示例2/138

5.9基于有创脑信号的特征工程与机器学习/138

5.9.1示例1/138

5.9.2示例2/140

参考文献/143

第6章神经回路中的神经调控/146

6.1神经调控/1476.2神经递质与神经调控/148

6.2.1神经递质基础/148

6.2.2神经递质的调节作用/149

6.3突触可塑性：学习与记忆的基础/149

6.3.1突触可塑性的机制/149

6.3.2神经回路与网络动力学/153

参考文献/157

第7章有创脑刺激技术/160

7.1脑刺激/161

7.2深部脑刺激/163

7.2.1历史发展/164

7.2.2技术要素/164

7.2.3深部脑刺激的作用机制/169

7.2.4当前深部脑刺激的系统设计/171

7.3临床应用/174

7.4最新研究趋势/176

参考文献/181

第8章无创脑刺激技术/184

8.1经颅超声刺激/185

8.2经颅近红外光疗法/186

8.3经颅磁刺激/187

8.3.1历史发展/187

8.3.2技术方面/187

8.3.3经颅磁刺激的神经机制/189

8.3.4经颅磁刺激的模式类型/192

8.3.5应用/194

8.3.6最新研究趋势/194

8.4经颅电刺激/196

8.5经颅直流电刺激/197

8.5.1历史发展/197

8.5.2技术方面/198

8.5.3临床应用/198

8.5.4最新研究趋势/200

8.6经颅交流电刺激/201

8.6.1历史发展/201

8.6.2技术方面/202

8.6.3临床应用/203

8.6.4最新研究趋势/204

参考文献/206

第9章脑刺激理论与技术/213

9.1不同脑刺激方法的比较/2149.2脑刺激理论：传播靶向/217

9.2.1脑刺激理论/217

9.2.2脑刺激的基本原理/218

9.2.3作用机制/218

9.2.4网络调控理论基础/220

9.2.5神经可塑性的基本概念/221

9.2.6影响脑刺激结果的因素/223

9.2.7挑战与未来方向/225

9.3刺激规划：精神障碍的闭环系统/226

9.3.1闭环脑刺激系统/226

9.3.2闭环脑刺激系统的组成部分/226

9.3.3在精神障碍中的应用/227

9.3.4优势与挑战/228

9.4脑刺激的伦理考量与未来方向/229

9.4.1伦理考量/229

9.4.2未来方向与新兴趋势/230

参考文献/232

第10章神经反馈的基础和应用/236

10.1历史背景/238

10.2理论基础/238

10.3操作性条件反射 /239

10.3.1强化与惩罚/239

10.3.2重塑/241

10.3.3消退/241

10.3.4强化程式/241

10.3.5辨别刺激/242

10.4神经可塑性/244

10.5自我调节和大脑 /245

10.5.1神经反馈与认知控制/245

10.5.2通过神经反馈进行情绪调节/245

10.5.3临床康复中的神经反馈/246

10.5.4强化执行功能/247

10.5.5终身神经可塑性与适应性/247

10.6神经反馈的技术方面/248

10.6.1脑信号的初始记录/248

10.6.2预处理程序/250

10.6.3神经反馈指标的应用/250

10.7临床应用/251

10.8神经反馈的局限性/252

10.9伦理影响与未来研究方向/253

参考文献/256

第11章神经技术与交流/259

11.1问题陈述/262

11.2实验范式：解决方案/262

11.3任务设计/263

11.4信号采集/265

11.5信号预处理/265

11.5.1使用数字有限脉冲响应滤波器进行滤波/266

11.5.2初始数据点剔除/266

11.5.3通道标准化/266

11.6特征提取与模型建立/267

11.7通信/268

参考文献/271