研究人员探索gaze fixation对基于运动想象的脑机接口性能的影响

Original Tina编译脑机接口社区 2022-04-26

基于运动想象的脑机接口(BCI)已经在之前没有控制受试者注视位置的情况下进行了研究。gaze fixation和内隐注意(covert attention)对 BCI 行为表现的影响尚不清楚。

内隐注意（covert attention）是2019年全国科学技术名词审定委员会公布的阿尔茨海默病名词。内隐注意定义：将注意朝向特定的刺激且不伴随头部或眼睛的运动。gaze fixation没有找到合适的中文翻译，但找到英文说明，如下面。个人理解：根据意思，可能为将凝视点(gaze point)固定住的注视，如果仅是注视，gaze完全可以表达这个意思，不知道为何用gaze fixation来表示。欢迎专业人士来解释和补充。

Gaze fixation is the ability to maintain the focus of your gaze on whatever you are looking at — basically, your ability to hold your eyes steady.

In order to fix your gaze on a specific object, you have to keep what you are looking at in a small spot in the centre of your retina called the fovea. This spot is the place in your eye where your vision is sharpest. It’s also where the cells that let us see colours are located — if you’ve heard of the “rods and cones” in our eyes, this is where you’ll find the cones.

from:

https://northoakchiro.com/blog/2017/03/07/loss-gaze-fixation-concussion-patients/

一个小测试：

这是一个简单的测试，您可以使用它来测试您自己的注视。盯着中间的红点。如果您有良好的注视，绿色圆圈应该会在几秒钟后消失。您越能将视线固定在点上，绿色圆圈消失的时间就越长。请记住，没有人可以永远保持凝视——但如果你根本无法让圆圈消失，那么你的凝视就不是很好。

上海交通大学和复旦大学的研究人员设计了一个凝视注视控制实验。受试者在执行运动想象的主要任务时，需要执行gaze fixation的次要任务。根据运动想象目标和凝视注视位置之间的关系分析受试者的表现，得出一致性、不一致性和中心交叉试验三种BCI控制条件。

研究人员招募了14名受试者。三种不同条件下的平均组表现在BCI控制准确性、反馈持续时间和轨迹长度方面没有显示出统计学上的显著差异。对注视转移(gaze shift)反应时间的进一步分析显示，一致性试验的反应时间明显短于不一致性试验。同时，通过R平方值和偏侧化指数的对比分析可以发现顶叶枕叶皮层在一致和不一致试验中也表现出活跃的神经活动。然而，从顶叶和枕叶计算的偏侧化指数与脑机接口行为表现无关。研究对象的脑机接口行为表现不受gaze fixation位置和内隐注意(covert attention)的影响。这表明基于运动想象的BCI可以在不牺牲性能的情况下自由地用于机器人手臂控制。

实验设计

图 1.(A)一个基于运动想象的脑机接口的单一试验结构，具有注视转移和固定。

图1(B)基于眼动跟踪的运动想象脑机接口实验装置。下巴托用于固定受试者的头部位置。(C)由运动想象任务与注视转移和注视固定位置的一致性产生的三种控制条件。

每次运行中的目标提示和中心十字箭头都以块随机方式分配。因此就可以可以准确平衡左右目标提示的数量和带箭叉的数量。由于目标中心和注视中心可能重叠或位于不同位置，因此导致了三种不同的 BCI 控制条件（见图 2）：目标中心和注视中心重叠（一致试验的条件）、注视中心是在十字中心，但目标在外围（中心交叉的条件），注视中心在目标的对面（不一致试验的条件）。

图2.运动想象任务、注视转移和注视固定任务概述。根据运动想象任务与注视转移和注视固定位置的一致性，存在3种不同的控制条件，即一致性试验、中心交叉试验和不一致性试验。

信号处理流程

整个在线信号处理过程如图3A 所示。请注意，由于必须将输入数据存放到缓冲区中，因此使用了特定时间段来训练归一化器。因此光标在 BCI 会话的第一次试验中没有移动。即使在第一次试验期间没有光标移动的反馈，受试者仍然被要求在他们感知到目标提示后，将他们的目光转向提示位置并启动他们的运动想象。具体来说，第一个静态试验是因为缓冲区需要积累数据以输出游标的移动。

图3.(A)在线信号处理流程图

(B)离线数据分析示意图。

实验表现

图4.不同控制条件下的BCI行为表现。(A) PVC， (B) ACC， (C)单次试验反馈持续时间，(D)单次试验轨迹长度。所有四个图形的x轴标签都是相同的，代表根据运动想象任务（左与右）的试验分类以及运动想象任务和注视固定任务之间的一致性。小提琴图：阴影区域代表数据的核密度估计，白色圆圈代表中位数，灰色条代表四分位数范围。

结论

本研究发现，在注视转移和注视三种控制条件下，左手和右手的运动想象表现出相当的BCI行为表现。14名受试者的PVC准确率达到80%以上。对个体反应时间的进一步分析表明，被试对一致性试验的反应要快于不一致性试验。在反馈控制过程中，对光标移动的内隐注意会诱导顶叶枕区的偏侧alpha活动。当将一致试验与不一致试验进行比较时，以及将一致试验与中心交叉试验进行比较时，这种偏侧化过程显示出基线水平的显着偏差。这个偏侧化过程在反馈开始前大约 1 秒开始，这表明在光标移动之前就已经对光标进行了内隐注意。然而，注视移动和注视不同位置以及对光标移动的内隐注意都不会影响 BCI 行为表现。这些独立的大脑活动可能有利于 BCI 实际应用，例如控制机械臂和轮椅。

参考

Meng Jianjun, Wu Zehan, Li Songwei, Zhu Xiangyang，Effects of Gaze Fixation on the Performance of a Motor Imagery-Based Brain-Computer Interface.Frontiers in Human Neuroscience.2022.

https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fnhum.2021.773603

DOI:10.3389/fnhum.2021.773603

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