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认知科学与脑机接口概论

  • 主 编:龚怡宏
  • 副主编:洪晓鹏
  • 书代号:601200
  • I S B N:978-7-5606-5710-3
  • 出版日期:2020-10
  • 印刷日期:2020-10
  • 业务分类:专著;
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脑机接口研究致力于在大脑与外部设备之间建立连接桐庐,架设起生物只能和人工智能之间的桥梁。认知科学建立起了研究认知(Cognition)和智脑机接口研究致力于在大脑与外部设备之间建立起连接通路,架设起生物智能和人工智能之间的桥梁。认知科学建立起了研究认知(Cognition)和智力(Intelligence)的基本概念和科学方法论,为脑机接口对大脑工作状态及认知活动的解读提供理论基础。 本书从理论、方法、技术及应用四个方面系统介绍脑机接口领域的最新研究成果。全书内容主要来源于写作组成员多年来在认知科学和脑机接口研究领域的知识积累,不少章节内容直接来自于作者们在这些领域的最新科研成果。写作组成员都是国内认知科学与脑机接口领域的顶尖学者,对书中的技术论述力图达到深入浅出、通俗易懂、独立完整。

本书适用于具有一般大学理工科背景的读者,可作为科学技术人员了解认知科学和脑机接口研究领域的参考书,也可作为大专院校面向本科生或者研究生所开设的认知科学与脑机接口课程的教科书。

人类对脑智(mind)的研究已有数千年的历史,然而过去的研究基本上是哲学思辨式的讨论,或是对直觉与经验的描述。认知科学建立起了研究认知(cognition)和智力(intelligence)的基本概念和科学方法论,从而开始把对人类认知和智力的研究建立在现代科学分析和实验的基础之上。认知科学发起的联结主义或人工神经网络的革命,对认知智力本质的基础研究乃至对计算机技术(包括脑机接口)都产生了空前的刺激和推动作用。

脑机接口是在脑与外部设备之间建立的通路,是架设在生物智能和人工智能之间的桥梁。认知科学对脑机接口的作用集中体现在以下两个方面:一是为脑机接口对脑信号的解读提供理论模型;二是为人工智能的发展提供启示作用。认知科学是多领域交叉、多层次构建的学科。本书从理论、方法、技术及应用四个方面系统介绍了脑机接口领域的最新研究成果。

第一章基于认知科学基础理论展开,首先给出了认知科学的定义及其内涵,简述了认知科学的发展历史以及推动认知科学发展的三大基石:认知变量、认知实验范式、认知实验技术,接着围绕人类认知和智力的基本功能进行了描述,包括感觉和知觉、注意机制、视觉通路和物体再认、学习与记忆、行为控制与脑机接口等内容。

第二章聚焦人脑连接组关联研究,阐述认识、情感和人格特质与静息态脑功能连接组的关联,遗传与环境对心脑关联的影响,人脑功能连接和结构连接,人脑全脑连接组关联研究等。针对认知科学领域的许多研究结果信度不高、可重复性较差等问题,在本章的最后部分探讨了人脑神经影像测量的可信度和有效度问题,提出相应的处理与分析标准。这些标准对提升人脑连接组研究的信度与可重复性具有重要的理论意义及实用价值。

第三章详细介绍了当前主流脑认知成像技术,包括磁共振成像技术、脑电与脑磁图、近红外脑成像技术和非侵入式脑刺激技术等,并对各种脑成像技术的优点和局限性进行了深入分析与探讨。经过二十多年的迅猛发展,脑成像技术已经成为探索脑认知活动的非侵入式实验的关键技术手段,对发展认知科学与脑机接口研究都具有不可替代的作用。

近年来,脑机接口已经在范式算法、原型系统等方面取得了长足进展,并成功应用于复杂系统控制、康复助残等领域。本书第四章首先介绍了脑机接口的定义、发展历程与现状、系统的结构组成和关键技术,然后着重介绍了以脑电信号为基础的无损脑机接口以及以微电极信号为基础的有损脑机接口相关知识,最后探讨了脑机接口未来的研究方向,以及对脑机接口技术发展会产生深远影响的相关技术领域。

第五章重点介绍大脑视觉认知编解码的概念、大脑视觉神经活动编解码的方法等。当前,基于磁共振成像的脑机接口研究主要集中于人脑视觉认知编解码方面,其目的就是采集人眼接受不同视觉刺激时脑磁共振响应的时空数据,利用采集的数据建立编解码模型。该模型能够预测人眼看到新图像时的大脑磁共振响应(编码模型),或者根据采集到的大脑磁共振响应来识别、重构人眼所看到的图像(解码模型)。

全书内容主要来源于编写组成员多年来在认知科学和脑机接口研究领域的知识积累,部分章节内容直接来自于国家重点基础研究发展计划(“973计划”,项目号:2015CB351700)的最新科研成果。

本书由主编龚怡宏、副主编洪晓鹏编撰整合,其中第一章由中国科学院生物物理研究所周天罡编写;第二章由中国科学院心理研究所左西年、李会杰、姜黎黎、郭黎媛、罗伟编写;第三章由中国科学院生物物理研究所卓彦、张紫豪、王帆、王波、左真涛编写;第四章由国防科技大学周宗潭、唐景昇、刘亚余,中国科学院深圳先进技术研究院王平安、王琼、司伟鑫及武汉大学袁志勇编写;第五章由西安交通大学陈霸东、吴昊编写。

编者

2020年6月

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