本書(shū)內(nèi)容包括：背景知識(shí)、構(gòu)建系統(tǒng)、BCI的主要類型、應(yīng)用和倫理。

ain-Computer Interfacing:An Introduction 
“科學(xué)家演示了思維控制的機(jī)器人”(PC雜志，2012年7月9日) 
“仿生視覺(jué)：令人驚嘆的全新眼睛芯片幫助兩個(gè)英國(guó)盲人重見(jiàn)光明”（Mirror,2012年5月3日） 
“癱瘓者用他們的意識(shí)控制機(jī)器人”（New York Times,2012年5月16日） 
“史蒂芬·霍金試用了能夠解讀他意識(shí)的設(shè)備”（New Scientist,2012年7月12日） 
這些來(lái)自于2012年短短幾周中的頭條新聞?wù)f明了媒體和公眾對(duì)腦機(jī)交互的思想越來(lái)越關(guān)注。這些新聞中尚未闡述清楚的問(wèn)題是：（a）當(dāng)前的腦機(jī)接口（brain-computer interface,BCI）能夠或不能夠完成什么（BCI有時(shí)稱為BMI，即brain-machine interface）？(b)在神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)中何種技術(shù)進(jìn)步能夠使這些BCI實(shí)現(xiàn)?(c)有哪些可用的BCI類型？（d）這些BCI有什么應(yīng)用領(lǐng)域，又會(huì)帶來(lái)哪些倫理上的問(wèn)題？本書(shū)旨在回答這些問(wèn)題，并為讀者提供BCI及BCI技術(shù)的系統(tǒng)性知識(shí)。 
內(nèi)容概要　　本書(shū)對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域進(jìn)行了介紹（這個(gè)領(lǐng)域也被稱作BMI、神經(jīng)接口、神經(jīng)修復(fù)、神經(jīng)工程）。在過(guò)去幾年里，這個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)出版了一些極其有用的書(shū)籍（Dornhege等人，2007；Tan & Nijholt,2010;Graimann等人2011;Wolpaw &Wolpaw,2012）。當(dāng)下，為那些在工程學(xué)或神經(jīng)科學(xué)方面沒(méi)有深厚基礎(chǔ)的讀者出版一本入門(mén)級(jí)教材的需求日益增加。本書(shū)旨在滿足這一需求。本書(shū)可以作為高年級(jí)本科生和一年級(jí)研究生學(xué)習(xí)腦機(jī)接口及神經(jīng)工程學(xué)的教材，還可以作為自學(xué)教材，或作為研究者、應(yīng)用者和那些有興趣加入這個(gè)領(lǐng)域的讀者的參考書(shū)。 
本書(shū)先為讀者介紹神經(jīng)科學(xué)的基本思想、概念和技術(shù)，大腦信號(hào)的記錄和刺激技術(shù)，信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)，然后介紹BCI的主要類型及應(yīng)用。每章后面的問(wèn)題和習(xí)題讓讀者能回顧前面的知識(shí)并檢測(cè)自己對(duì)本章要點(diǎn)的理解。一些習(xí)題（帶有標(biāo)記）讓讀者可以根據(jù)研究刊物及網(wǎng)上獲取的新信息探索本書(shū)沒(méi)有涉及的內(nèi)容。 
本書(shū)章節(jié)構(gòu)成如下：第1章到第5章給出了在神經(jīng)科學(xué)和量化技術(shù)方面必要的基礎(chǔ)知識(shí)，以便讀者理解構(gòu)造BCI所使用的術(shù)語(yǔ)和方法。在第6章中，通過(guò)學(xué)習(xí)BCI的基本構(gòu)成，我們開(kāi)始了進(jìn)入BCI世界的旅途。本書(shū)的下一部分根據(jù)使用的信號(hào)采集技術(shù)，為讀者介紹BCI的三個(gè)主要類型。第7章描述了侵入式的BCI，這類BCI需要使用植入到大腦內(nèi)的設(shè)備。第8章描述了半侵入式BCI，這類BCI是基于神經(jīng)信號(hào)的設(shè)備或安置在大腦表面的設(shè)備。第9章介紹了非侵入式BCI，比如采用在頭皮上記錄的電信號(hào)（EEG）。第10章介紹了通過(guò)刺激大腦來(lái)恢復(fù)失去的感覺(jué)或運(yùn)動(dòng)功能的BCI。第11章介紹了通用的BCI，即可以記錄腦電和刺激大腦的BCI。對(duì)每一種類型，本書(shū)都舉例說(shuō)明了其經(jīng)典實(shí)驗(yàn)以及當(dāng)前新的技術(shù)（到2013年為止）。第12章介紹了BCI的一些主要應(yīng)用。第13章介紹了與BCI技術(shù)的發(fā)展和使用相關(guān)的倫理問(wèn)題。第14章為總結(jié)篇，該章對(duì)當(dāng)前BCI的局限做了小結(jié)，并展望了這一領(lǐng)域的發(fā)展前景。本書(shū)還包括一個(gè)附錄，給出了BCI所涉及的線性代數(shù)和概率論中的基本數(shù)學(xué)知識(shí)。 
網(wǎng)址　　本書(shū)的網(wǎng)址是bci.cs.washington.edu。 
由于BCI領(lǐng)域發(fā)展迅速，因此該網(wǎng)站會(huì)定期更新與BCI研究相關(guān)的有用鏈接。 
由于作者水平有限，書(shū)中難免會(huì)有缺漏和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)廣大讀者指正，發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤將刊登在本書(shū)網(wǎng)站的勘誤表上。 
封面圖像　　原書(shū)封面是一個(gè)使用基于皮質(zhì)腦電的BCI控制光標(biāo)的人腦圖像(見(jiàn)8.1節(jié))。大腦中明亮的紅色區(qū)域顯示，當(dāng)受試者通過(guò)想象手的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制光標(biāo)移至電腦屏幕上的目標(biāo)區(qū)域時(shí)，運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的手部區(qū)域活動(dòng)會(huì)增強(qiáng)。這幅圖像由Jeremiah Wander制作,他是華盛頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)的研究生，也是該大學(xué)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的成員。 
致謝　　我要感謝來(lái)自劍橋大學(xué)出版社的Lauren Cowles，盡管多次錯(cuò)過(guò)截稿日期，她還是一如既往地對(duì)本書(shū)寫(xiě)作給予鼓勵(lì)和支持。也要感謝華盛頓大學(xué)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)工程（CSNE）和BCI小組,尤其是我的合作者Jeffrey Ojemann、Reinhold Scherer(現(xiàn)在在TU Graz)、Felix Darvas、Eb Fetz和Chet Moritz，他們?yōu)楸緯?shū)寫(xiě)作給予了大量指導(dǎo)，并進(jìn)行了很多次有價(jià)值的討論。神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生是BCI研究永不枯竭的靈感和新觀點(diǎn)的源泉。他們讓我樂(lè)此不疲，感謝以下學(xué)生：Christian Bell、Tim Blakely、Matt Bryan、Rawichote Chalodhorn、Willy Cheung、Mike Chung、Beau Crawford、Abe Friesen、David Grimes、Yanping Huang、Kendall Lowrey、Stefan Martin、Kai Miller、Dev Sarma、Pradeep Shenoy、Aaron Shon、Melissa Smith、Sam Sudar、Deepak Verma和Jeremiah Wander。Pradeep是我早期教授的一門(mén)BCI課程的助教，協(xié)助我組織了該課程的結(jié)構(gòu)，這是本書(shū)的基礎(chǔ)。Sam是后來(lái)的一個(gè)助教，他對(duì)課程材料給予了有價(jià)值的建議。Kai幫助建立了與從事BCI研究的醫(yī)學(xué)院的早期合作，他也在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)啟基于皮質(zhì)腦電的BCI研究上起了重要作用。 
很多基金資助機(jī)構(gòu)支持我的研究及本書(shū)的寫(xiě)作，包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、帕卡德基金會(huì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）、美國(guó)海軍研究所（ONR）認(rèn)知科學(xué)項(xiàng)目、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)下設(shè)的感覺(jué)神經(jīng)工程研究中心（CSNE）和陸軍研究辦公室(ARO)。衷心感謝他們的支持。本書(shū)的部分章節(jié)是在風(fēng)景優(yōu)美的Friday Harbor實(shí)驗(yàn)室的Whiteley寫(xiě)作中心完成的，該中心為我迫在眉睫的寫(xiě)作進(jìn)程提供了良好的環(huán)境。 
非常感謝我在印度Kendriya Vidyalaya Kanchanbagh（KVK）的老師們，在德克薩斯州安吉羅州立大學(xué)的教授們，在美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的博導(dǎo)Dana Ballard，以及我在索爾克研究所的博士后導(dǎo)師Terry Sejnowski，他們對(duì)我以后的研究和教學(xué)生涯提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)和科學(xué)基礎(chǔ)。十分感謝我的父母，他們始終給予我支持，并在我小時(shí)候就用滿屋的書(shū)籍激發(fā)了我對(duì)科學(xué)的好奇心。對(duì)我的孩子Anika和Kavi，很抱歉在寫(xiě)作期間沒(méi)能給予他們應(yīng)有的關(guān)懷，但他們依然無(wú)條件地支持我。后，感謝妻子Anu給予我的靈感和堅(jiān)定不移的支持，這些都伴隨著我走過(guò)多年的寫(xiě)作時(shí)光。沒(méi)有她，這本書(shū)便不可能完成。 

Brain-Computer Interfacing:An Introduction 
出版者的話 
譯者序 
前言 
第一部分　背景知識(shí) 
第1章　引言2 
第2章　神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)4 
2.1　神經(jīng)元4 
2.2　動(dòng)作電位或鋒電位5 
2.3　樹(shù)突和軸突5 
2.4　突觸5 
2.5　鋒電位的產(chǎn)生6 
2.6　神經(jīng)連接的調(diào)節(jié)：突觸可塑性7 
2.6.1　LTP7 
2.6.2　LTD7 
2.6.3　STDP7 
2.6.4　短期激勵(lì)和抑制8 
2.7　大腦組織、解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和功能9 
2.8　小結(jié)11 
2.9　問(wèn)題和習(xí)題11 
第3章　記錄大腦信號(hào)和刺激大腦12 
3.1　記錄大腦信號(hào)12 
3.1.1　侵入式技術(shù)12 
3.1.2　非侵入式技術(shù)17 
3.2　刺激大腦22 
3.2.1　侵入式技術(shù)22 
3.2.2　非侵入式技術(shù)23 
3.3　同步記錄和刺激24 
3.3.1　多電極陣列24 
3.3.2　神經(jīng)芯片25 
3.4　小結(jié)26 
3.5　問(wèn)題和習(xí)題26 
第4章　信號(hào)處理28 
4.1　鋒電位分類28 
4.2　頻域分析29 
4.2.1　傅里葉分析29 
4.2.2　離散傅里葉變換32 
4.2.3　快速傅里葉變換33 
4.2.4　頻譜特征33 
4.3　小波分析33 
4.4　時(shí)域分析34 
4.4.1　Hjorth參數(shù)34 
4.4.2　分形維數(shù)35 
4.4.3　自回歸模型36 
4.4.4　貝葉斯濾波36 
4.4.5　卡爾曼濾波38 
4.4.6　粒子濾波40 
4.5　空間濾波41 
4.5.1　雙極、拉普拉斯和共同平均參考41 
4.5.2　主成分分析41 
4.5.3　獨(dú)立分量分析44 
4.5.4　共空間模式46 
4.6　偽跡去除技術(shù)48 
4.6.1　閾值法48 
4.6.2　帶阻和陷波濾波48 
4.6.3　線性模型49 
4.6.4　主成分分析49 
4.6.5　獨(dú)立分量分析51 
4.7　小結(jié)51 
4.8　問(wèn)題和習(xí)題51 
第5章　機(jī)器學(xué)習(xí)54 
5.1　分類技術(shù)54 
5.1.1　二分類54 
5.1.2　集成分類技術(shù)59 
5.1.3　多分類61 
5.1.4　分類性能的評(píng)估64 
5.2　回歸方法66 
5.2.1　線性回歸67 
5.2.2　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與反向傳播算法68 
5.2.3　徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)70 
5.2.4　高斯過(guò)程71 
5.3　小結(jié)73 
5.4　問(wèn)題和習(xí)題73 
第二部分　構(gòu)建系統(tǒng) 
第6章　構(gòu)建BCI78 
6.1　BCI的主要類型78 
6.2　對(duì)構(gòu)建BCI有用的大腦反應(yīng)78 
6.2.1　條件反射78 
6.2.2　集群行為79 
6.2.3　想象運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知行為79 
6.2.4　刺激誘發(fā)行為80 
6.3　小結(jié)80 
6.4　問(wèn)題和習(xí)題81 
第三部分　BCI的主要類型 
第7章　侵入式BCI84 
7.1　侵入式BCI的兩個(gè)主要范式84 
7.1.1　基于操作性條件反射的BCI84 
7.1.2　基于集群解碼的BCI86 
7.2　應(yīng)用于動(dòng)物的侵入式BCI87 
7.2.1　控制假臂和手的BCI87 
7.2.2　控制下肢的BCI98 
7.2.3　控制光標(biāo)的BCI100 
7.2.4　認(rèn)知型BCI104 
7.3　應(yīng)用于人的侵入式BCI108 
7.3.1　植入多電極陣列控制光標(biāo)和機(jī)器人108 
7.3.2　認(rèn)知型BCI111 
7.4　侵入式BCI的長(zhǎng)期使用112 
7.4.1　BCI的長(zhǎng)期使用和穩(wěn)定皮質(zhì)代表區(qū)的形成112 
7.4.2　植入人腦的BCI的長(zhǎng)期使用114 
7.5　小結(jié)114 
7.6　問(wèn)題和習(xí)題114 
第8章　半侵入式BCI117 
8.1　基于皮質(zhì)腦電信號(hào)（ECoG）的BCI117 
8.1.1　基于ECoG的動(dòng)物用BCI117 
8.1.2　基于ECoG的人用BCI118 
8.2　基于外周神經(jīng)信號(hào)的BCI134 
8.2.1　神經(jīng)型BCI134 
8.2.2　目標(biāo)肌肉神經(jīng)分布重建135 
8.3　小結(jié)137 
8.4　問(wèn)題和習(xí)題138 
第9章　非侵入式BCI140 
9.1　基于腦電信號(hào)的BCI140 
9.1.1　振蕩電位和ERD140 
9.1.2　慢皮質(zhì)電位148 
9.1.3　運(yùn)動(dòng)相關(guān)電位151 
9.1.4　刺激誘發(fā)電位153 
9.1.5　基于意識(shí)任務(wù)的BCI158 
9.1.6　BCI的錯(cuò)誤電位159 
9.1.7　互適應(yīng)型BCI160 
9.1.8　分層型BCI161 
9.2　其他非侵入式BCI:fMRI、MEG和fNIR162 
9.2.1　基于功能性磁共振成像的BCI162 
9.2.2　基于腦磁圖的BCI162 
9.2.3　基于功能性近紅外光學(xué)成像的BCI164 
9.3　小結(jié)164 
9.4　問(wèn)題和習(xí)題165 
第10章　BCI的刺激修復(fù)作用167 
10.1　感覺(jué)功能恢復(fù)167 
10.1.1　恢復(fù)聽(tīng)力：人工耳蝸167 
10.1.2　恢復(fù)視力：皮質(zhì)和視網(wǎng)膜的植入169 
10.2　運(yùn)動(dòng)恢復(fù)171 
10.3　感覺(jué)擴(kuò)增172 
10.4　小結(jié)173 
10.5　問(wèn)題和習(xí)題173 
第11章　雙向與循環(huán)型BCI175 
11.1　通過(guò)刺激產(chǎn)生直接的皮質(zhì)指令控制光標(biāo)175 
11.2　使用BCI和體覺(jué)刺激實(shí)現(xiàn)主動(dòng)觸覺(jué)探索178 
11.3　迷你機(jī)器人的雙向BCI控制180 
11.4　通過(guò)功能性電刺激實(shí)現(xiàn)肌肉的腦皮質(zhì)控制182 
11.5　建立腦區(qū)間的新聯(lián)系183 
11.6　小結(jié)186 
11.7　問(wèn)題和習(xí)題186 
第四部分　應(yīng)用和倫理 
第12章　BCI的應(yīng)用190 
12.1　醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用190 
12.1.1　感覺(jué)恢復(fù)190 
12.1.2　運(yùn)動(dòng)恢復(fù)190 
12.1.3　認(rèn)知恢復(fù)191 
12.1.4　康復(fù)治療191 
12.1.5　使用菜單、光標(biāo)和拼寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)交流191 
12.1.6　腦控輪椅192 
12.2　非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用193 
12.2.1　網(wǎng)頁(yè)瀏覽和虛擬世界導(dǎo)航193 
12.2.2　機(jī)器人替身195 
12.2.3　高流通量的圖像搜索197 
12.2.4　測(cè)謊和法律領(lǐng)域的應(yīng)用199 
12.2.5　警覺(jué)性監(jiān)測(cè)202 
12.2.6　估算認(rèn)知負(fù)荷204 
12.2.7　教育和學(xué)習(xí)206 
12.2.8　安保、身份識(shí)別和驗(yàn)證208 
12.2.9　利用外骨骼擴(kuò)增身體能力209 
12.2.10　記憶和認(rèn)知的放大209 
12.2.11　航空領(lǐng)域的應(yīng)用211 
12.2.12　游戲和娛樂(lè)213 
12.2.13　腦控制藝術(shù)214 
12.3　小結(jié)216 
12.4　問(wèn)題和習(xí)題216 
第13章　腦機(jī)接口的道德規(guī)范218 
13.1　醫(yī)學(xué)、健康和安全問(wèn)題218 
13.1.1　平衡風(fēng)險(xiǎn)和利益218 
13.1.2　知情同意219 
13.2　BCI技術(shù)的濫用219 
13.3　BCI的安全性和隱私性220 
13.4　法律問(wèn)題220 
13.5　道德和社會(huì)公平問(wèn)題221 
13.6　小結(jié)222 
13.7　問(wèn)題和習(xí)題222 
第14章　結(jié)論224 
附錄A　數(shù)學(xué)背景知識(shí)226 
參考文獻(xiàn)237 
索引248