Cell：视觉错觉运动刺激的探索：基于EEG的实用辅助系统的脑机接口

本文提出了一种基于视觉错觉运动刺激(illusory visual motion stimuli)的脑机接口（BCI），旨在使用提出的系统来增强运动想象（MI）的范式。由于运动想象需要较长时间的训练，因此通过感官系统进行外部刺激的刺激方法是一种提高效率的替代方法。该项研究分为两个部分。首先，研究人员观察了基于脑地形图的视觉运动错觉模式。其次，研究者实现了基于视觉错觉运动刺激的BCI系统。箭头和移动箭头模式用于调节视觉皮层和运动皮层的alpha节律。箭头模式的平均分类准确率约为78.5%。另外，使用提出的特征提取和决策算法，提出了基于视觉错觉运动刺激的BCI系统。该BCI系统可以通过设计的算法控制光标左右移动，生成5个辅助通信指令。10名志愿者参与了这项实验，并使用了一个带有运动想象和视觉错觉运动的脑机接口系统来比较效率。结果表明，该方法比运动想象的准确率提高了约4%。所提出的视觉错觉运动刺激和算法的正确率约为80.3%。研究人员表示，可以在基于MI的脑机接口系统中加入一种视觉错觉运动刺激混合脑机接口系统，以进行初学者运动想象。

提出假设并设计视觉错觉运动刺激范例

研究者使用范式和基于EEG频率分析的车轮模式进行了探索。轮型由24片 (螺旋桨之间的角度= 5°)、48片(4°)和96片(3°)的直径为5cm的螺旋桨组成，用于刺激视觉和运动皮质。研究人员还发现，车轮图案中碎片的数量会影响alpha带，96块碎片很快就会在大脑的枕部和中央区域引起反应。

图1 (a)视觉错觉运动刺激的箭头图案。(b)专注于左箭头上，以诱导右视觉和运动皮层。(c)专注于右箭头上，以诱导左视觉皮层和运动皮层。

因此，研究者提出了一种新的错觉运动刺激范式，通过使用如图1(a)所示的箭头模式来激活视觉和运动皮层的响应，包括一个错觉运动箭头模式(图)和一个移动箭头模式(视频:5帧/秒)来刺激视觉皮层，诱导运动比较两种脑电图反应。基于这一假设，我们假设通过专注于错觉的运动刺激模式，即眼睛受到刺激并在左右方向上诱导运动，可以观察到中央和枕部的alpha不对称性。研究者建立了一个新的实验来探索范式和错觉视觉运动刺激。

研究结果用于设计特征提取方法和算法，以扩展我们提出的视觉错觉运动刺激模式和范式在基于实时运动想象的脑机接口系统中的应用。

使用图3(a)和(b)所示的范式，通过根据聚焦范例查看提出的错觉运动刺激器，使用箭头的左右方向生成两个命令。执行这两个命令时，1)两只眼睛都注视左边箭头的中心，表示左边命令;2)两只眼睛都注视右边箭头的中心，表示右边命令。

初步研究

图2

在初步实验中，如图2所示， 7名健康受试者（平均年龄22±3.4岁）按照任务顺序参与该实验。单个试验包括四个事件，从注视（+）开始，收集5s内的脑电图基线。然后，受试者休息3秒。此后，受试者盯着左或右箭头错觉运动视觉刺激器5 s。最后，受试者休息3 s。受试者执行图2中的相同顺序以移动箭头视觉错觉刺激器（视频）。每个受试者随机执行左右命令，每种刺激模式进行20次，每个受试者进行80次。

根据所有受试者的FFT绝对功率的总体平均脑地形图，我们直观地观察到每个运动模式的特征模式（图3和图4）。感兴趣的大脑区域是中央，顶叶和枕叶区域。我们发现大脑的反应是通过视觉注意和运动意图发生的。

图3

非移动箭头模式:对于左侧刺激，我们观察到右中央(C4)、右顶叶(P4)和右枕叶(O2)区域在alpha波段(8 – 12Hz)表现出更大的响应，分别如图3(a)和图4(a)所示。相反，对于右向刺激，我们观察到左中央(C3)、左顶叶(P3)和左枕叶(O1)区域在alpha波段(8-12 Hz)表现出更大的反应，分别如图3(b)和图4(b)所示。

图4

移动箭头模式:对于左侧刺激，我们观察到(O2)在alpha波段(8 – 12Hz)表现出更大的响应，分别如图3(c)和图4(c)所示。对于右向刺激，我们观察到只有(O1)在alpha波段(8-12 Hz)表现出更大的反应，分别如图3(d)和图4(d)所示。

研究人员提出的基于视觉错觉运动刺激的BCI系统，用于增强运动想象，如图5所示。

图5

图6

根据初步结果，研究者设计了一种特征提取算法，将脑电图信号分类为左/右命令，以控制所提出的辅助系统的光标(图6(b))。研究人员还利用可视化的条形图水平指标反馈响应，引导用户实现高效率的用户实践。

研究人员表示，可以在基于MI的脑机接口系统中加入一种视觉错觉运动刺激混合脑机接口系统，以进行初学者运动想象。

参考

Exploration of illusory visual motion stimuli: An EEG-based brain-computer interface for practical assistive communication systems

Tina编译

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