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1、Proceedings of the 1 0th Conference on Man-Machine-Environment System Engineering 镌悲然Review of the Cognitive Study Based on EEGYi Xiaoll2 ， Shanguang Chen2 ， Chunhui Wan92。 Institute ofEquipment Command&Technology,Beijing,China 2China Astronaut Training and Research Center,Beijing,China Email： cangh
2、aiyisul981126 COinAbstract ： The cognitive abillty iS the key part of the human performances ， which iS the most funda- mental characteristic that makes human different from all machines EEG-based study of the cognitive is the very important way to research the cognitive ability In this paper,we sum
3、med up the development of EEG based study of the cognitive and the major applications iust from two aspects， which arc the re-lationship between the corresponding brain areas and the cognitive ability,and the relationship betweenEEG activity and mental task Finally,furthef research suggestions are p
4、roposed， as well as the difficul-ties and challenges from two aspects ofthe research methods and application levelKeywords ： EEG signal； cognitive ability； brain areas； mental task； performances； BCI基于脑电信号的认知能力研究现状及展望肖毅 L2，睬善广 2，王春慧 21装备指挥技术学院，北京， 10141 62中国航天员科研训练中心，北京， 100193Emaii： canghaiyisui981
5、126 tom摘要：认知能力是人的作业能力中最核心的组成部分，是人区别于所有机器的最根本特征。基 于脑电信号的认知能力研究是目前研究认知能力的一种重要方式和手段，本文主要从脑区与认知 能力对应关系，脑电信号与思维活动关系两个方面概括了基于脑电信号的认知能力研究进展及主 要的应用方面，并从研究方法、可能应用方面等对基于脑电信号的认知能力研究进行了展望。关键词：脑电信号；认知能力：脑区；思维活动；作业能力；脑机接口1引言 研究是其中一种重要的手段。脑电信号信号作为一种无创的检测手段，其研究 人是所有机器无法替代的智能体，因为其具有思 涉及神经生理学、心理学、病理生理学、认知神经科维、决策等高级的认
6、知能力；而人的认知能力是分析 学、神经工程乃至社会心理学、信息与信号处理等诸问题，解决问题，尤其是创造性处理问题中一种非常 多领域，研究也日益深入。脑电信号由于无创性、采 重要的能力，是人的作业量能力中最核心的组成部分。 集方便、时间分辨性强等特点，在认知能力研究领域 人的认知能力大致可分为：知觉、注意、记忆、推理 已经成为一种不可或缺的手段，随着脑电信号设备技判断、决策等。分析和研究人的认知能力对选拔任务 术的进步和脑电信号信号处理理论和方法的完善，基 执行人员尤其是特殊任务执行人员、任务设计、程序 于脑电信号的认知能力研究以及相关领域的研究将会 安排以及训练等具有极其重要的理论指导意义。
7、得到极大的发展。目前国内外对认知能力的研究已经取得了较大进 本文第二部分从脑区与认知能力对应关系，第三 展，在载人航天领域也开展了大量的研究，越来越多 部分从脑电信号与思维活动关系方面概括了基于脑电 研究方法和手段应用到该领域，其中基于脑电信号的 信号认知能力的研究现状，并列举了研究的重要意义和主要的应用方面，第四部分对基于脑电信号进行认资助信息：国防预研基金资助项目批准号： ZLY2006343 知能力研究的方法、应用等方面进行了展望。978-l-935068-1432010 SciRes媾黧然 ofthe lOth Conference on ManMachineEnvironmentPr
8、oceedings System Engineering2脑区与认知能力对应关系研究现状 被试完成视觉提示的力抓取跟踪任务的脑电信号特征，研究了短期运动学习对力反馈任务的准备、执行基于脑电信号研究脑区与认知能力的关系，一般 以及结束后的脑部振动特性。结果表明训练提高了绩都是通过各导联相关性、一致性分析，脑地形罔等方 效，在任务准备阶段 alpha功率比后期下降：运动相关法，分析在不同思维活动实验中，哪些脑区被激活以 beta 功率的下降随着训练时问增长而减弱；运动后及发生何种变化等。 alpha和低频 beta活跃性增强，经过学习又降低。一致Osal(aM掣 l】 通过实验研究发现数学计算导致
9、右 性分析揭示了学习使对侧或同侧前额区域和顶区、前半球功率谱升高，而视觉任务时则在左半球出现较高 中央区 (fronto centrai)和枕区的一致性增强。暗示了功率谱。 视觉提示力抓取任务练习与皮层网络的大量活动变化有研究表明人的空间导航能力与海马皮层密切相 相关，这些改变或许提高了视觉运动的学习能力。他关， Brian R Comwell等的 【2J 研究显示海马皮层在空间 们的研究为解释脑在视觉运动整合和短期学习的复杂导航中有 theta振动，而且前者还被认为有调节空间记 潜在机制提供了重要的新证据。忆形成的作用。源分析揭示了左前侧海马皮层在寻找 明确不同脑区与认知能力的对应关系是研究
10、认知目标的导航任务中的 theta活动有较高幅值，高于在感 能力的重要内容，其研究结果对于针对性的进行任务觉控制中漫无目的时移动的活跃程度。设计和人员筛选与 iJIl练具有重要的指导意义，尤其是 中央前额皮层区 (medial prefrontal cortex ， mPFC) 复杂任务的设计和人员选拔。比如交会对接任务就是被认为与侧向前额皮层在错误发生机制中是联合工作典型的复杂认知任务，需要操作者调动知觉、注意、 的，但这一协调工作的神经机制目前还不清楚。 James推理判断、决策等多种认知能力，因此其涉及的脑区 E Cavanagh ， Michael X Cohen等 f3l为了验证 t
11、h咖波瞬 肯定不止一个，通过研究脑区与认知能力之问对应关时间步振动是这两个区域交互工作机制反映的假设， 系就可以针对性的进行训练。他们提取了脑电信号信号的相位和功率特征。结果显 示 mPFC区域的 theta 功率在发生错误前降低，而错误 3脑电信号与思维活动关系研究现状发生后迅速升高。在发生错误的实验中 FCz(mPFC) 一般认为特定的脑电信号节律代表脑的不同状和 F5 6(1PFC) 区域的 theta 相位同步性显著增加，态。 alpha节律主要出现在放松状态，闭眼时最强，睁 而且 mPFC-IPFC 的相位同步程度可预测 mPFC 中的眼或瞌睡时减弱，最容易在枕骨皮层检测到。 bet
12、a一 theta功率大小。 般与活跃、忙碌、紧张思考和积极的注意相关，并在近十年以来，很多研究表明 mu节律的去同步性 脑电信号中占主导地位。 delta节律往往在年轻人或者 可能是人的反射神经系统的表现 (mirror neuron sys 有潜在损伤者中存在。 theta在瞌睡时、以及小孩、青 tem MNS) 。 Anat Perry,Shlomo Bentin等 14j通过寻找 少年和年轻成年人中比较常见 【6】 。fl 4RI激活与 mu抑制模式的相似性 (parallels) ，试图 Amaud Delorme ， Marissa Westerfield等 71研究了 找到 mtl
13、节律的变化与 MNS之间关系更有利的证据。 视觉刺激情况下快速反应的脑电信号特征，并应用 他们分别记录了被试观察左手或右手接近并抓取物体 ICA(1ndependent Component Analysis， ICA)进行伪迹 过程的脑电信号，和被试观察球运动、安静抓取场景 消除和特征提取。结果显示快速按键动作之后前额区 或者抓取静止物体过程的脑电信号。结果表明中央侧 产生幅值较大的 P3f，在远前庭区有低频 theta波产生。 面半球的 mu节律受到抑制，手运动时抑制增强；而 有研究表明脑电信号的 theta节律与目标冲突解决当手以不同方式抓取不同物体比重复同样运动方式的 机制相关，新脑皮层
14、的 theta锁相反映了海马皮层在目 抑制更强；被试观察静止物体时 mu没有抑制，而在 标冲突之间的反馈通信机制。 Roger A Moore ， Anthony 观察静止抓握姿势时也发生抑制。所有这些数据表明 Gale掣 8】 的研究表明： alpha与 theta的特性不一样，并 mu抑制与人的 MNS 存在关联。 非主要与冲突解决相关。在主运动感觉区附近低频 研究表明经过一段时问的训练之后，在执行运动 alpha(S-10Hz) 的一致性升高，尤其在响应执行和抑 任务时伴随有皮层活跃性下降和脑部振动的变化，但 制的时候。一致性分析显示高频 alpha(10-12Hz) 与响应 对于学习是
15、否也会对运动准备和运动后的神经网络有 执行相关，而且在响应执行、抑制和准备过程中高频影响知之甚少。 C。 Kranczioch， S Athanassiou等 【5】 应用 alpha一致性普遍增强。978 1 935068 14 32010 SciResProceedings ofthe 10th Conference On Man-Machine-Environment System Engineering 懿黧然Nurhan Erbil Pekcan Ungan等 191研究表明人的手 思维活动的类型。 指运动在大脑皮层也会有相应的反映，从中央区域采 M Doppelmayr,T Finkenzellerb等 【20】 研究了手枪集的脑电信号中的 alpha 和 beta波是与运动抑制和增 射击瞄准阶段的中央前额区 them(frontal midline theta) 强相关的。 的时程特性。分别记录了专家组 (8名 )，新手组 (10 运动需要 1i同的策略支持，这会导致皮层的特定 名 )两组被试在瞄准阶段的脑电信号信号，结果显示脑电信号节律发
