（一）項目背景

腦科學(xué)作為生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域，自全球“腦計劃”啟動以來，圍繞大腦開展的科技創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。基于神經(jīng)影像的大腦功能和結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)大腦具有神經(jīng)可塑性，使得從大腦層面干預(yù)治療腦疾病、增強認知功能成為現(xiàn)實。隨著腦科學(xué)逐漸從“認識腦”發(fā)展到“調(diào)控腦”，以經(jīng)顱直流電刺激、經(jīng)顱磁刺激和神經(jīng)反饋為代表的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于阿爾茨海默癥、抑郁癥以及成癮行為的干預(yù)研究之中，在腦疾病和精神疾病治療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與此同時，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在軍事領(lǐng)域的地位和應(yīng)用價值也日益凸顯，如何借助腦科學(xué)相關(guān)理論與技術(shù)，增強軍事作戰(zhàn)、航空航天等特殊領(lǐng)域作業(yè)人員的認知能力，進而提升作業(yè)效能已成為各國研究的重點。

現(xiàn)有的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)大致分為外源性與內(nèi)源性兩個方向，外源性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)使用外部電、磁能量從物理角度干預(yù)調(diào)節(jié)大腦功能，內(nèi)源性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)基于自我強化學(xué)習(xí)增強特定的認知功能。雖然上述技術(shù)手段能夠有效調(diào)節(jié)大腦功能，但在實際應(yīng)用過程中存在若干亟需解決的問題：首先，現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控設(shè)備操作復(fù)雜、體積龐大，將治療環(huán)境局限于醫(yī)院等固定地點，無法滿足病人群體居家治療以及特殊作業(yè)人員隨時隨地進行認知增強調(diào)控的需求；其次，現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控設(shè)備僅具有干預(yù)刺激功能，但無法監(jiān)測評估調(diào)控效果以及自適應(yīng)地調(diào)整刺激強度等參數(shù)，即開環(huán)調(diào)控系統(tǒng)；再者，現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控技術(shù)效果往往有限，外源性與內(nèi)源性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)各有優(yōu)缺點，通過多種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的有機融合將進一步增強調(diào)控效果。本項目旨在解決現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控設(shè)備存在的不足，進一步促進神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在疾病治療和認知增強等實際場景中的應(yīng)用，搶占下一輪以腦科學(xué)為核心的醫(yī)療設(shè)備發(fā)展機遇，打破國外對先進醫(yī)療設(shè)備市場的壟斷。

（二）項目簡介

本項目面向人民生命健康和國家戰(zhàn)略需求，基于團隊前期腦-認知-行為的神經(jīng)機制研究成果，針對現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控設(shè)備的諸多不足之處以及腦科學(xué)的發(fā)展趨勢，設(shè)計開發(fā)集腦信號檢測、認知評估和神經(jīng)調(diào)控等功能為一體的可穿戴式多模態(tài)閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控設(shè)備。其中，腦信號檢測模塊采用微型電/光極實時采集大腦電生理（EEG）與功能性近紅外（fNIRS）大腦血氧信號；認知評估模塊則基于多模態(tài)大腦功能信號評估大腦認知狀態(tài)；神經(jīng)調(diào)控模塊包含外源性經(jīng)顱直流電刺激和內(nèi)源性神經(jīng)反饋兩種調(diào)控技術(shù)。上述三大功能模塊相互協(xié)調(diào)，循環(huán)依賴，形成智能化閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，即認知評估模塊基于大腦功能信號實時評估認知狀態(tài)，當檢測到認知異常時，則啟動外源性/內(nèi)源性神經(jīng)調(diào)控模塊進行干預(yù)調(diào)節(jié)，與此同時，認知評估模塊通過監(jiān)測大腦功能狀態(tài)的變化評估神經(jīng)調(diào)控效果，并自適應(yīng)的調(diào)節(jié)神經(jīng)調(diào)控參數(shù)直至認知狀態(tài)恢復(fù)到正常水平（圖1）。

圖 1. 設(shè)備原理圖和工程樣機圖

本設(shè)備主要面向三大群體：（1）認知損傷群體。臨床多通過藥物治療認知損傷，但效果有限且有副作用。團隊前期研究表明，內(nèi)源性神經(jīng)反饋調(diào)控技術(shù)能夠有效緩解注意力缺陷兒童的注意力不集中癥狀，達到優(yōu)于臨床現(xiàn)有藥物改善行為的治療效果，且無任何副作用（Wu et al., Psychiatry Research. 2022）。同時，本產(chǎn)品可穿戴的優(yōu)點能夠讓患者隨時隨地使用，不局限于醫(yī)院等固定地點，極大地滿足了患者的使用需求。（2）特殊作業(yè)群體。本產(chǎn)品能夠?qū)崟r監(jiān)測評估特殊作業(yè)人員的認知狀態(tài)，并對認知異常人員進行認知增強干預(yù)，維持作業(yè)人員的高水平認知能力，從而提升作業(yè)效能。（3）青年群體。隨著當今社會生活節(jié)奏加快，人與人之間的激烈競爭和過大的社會壓力增加了大腦的精神負荷，也造成人們精神和心理上的疾病。本產(chǎn)品中的認知增強調(diào)控技術(shù)可在一定程度上可以緩解使用者的精神壓力，增強使用者的精神強度和大腦運轉(zhuǎn)能力。

（三）關(guān)鍵技術(shù)

1. 基于大腦認知功能機制的神經(jīng)調(diào)控靶點選擇技術(shù)

神經(jīng)調(diào)控靶腦區(qū)的選擇依賴于認知功能的中樞神經(jīng)機制理論，對神經(jīng)生理機制的理解將很大程度上影響靶腦區(qū)選擇的有效性與可靠性。團隊前期基于功能磁共振成像開展了工作記憶、認知決策、注意警覺等多種認知功能的大腦神經(jīng)機制的深入研究，運用多變量模式分析（MVPA）、功能連接密度映射（FCDM）、格蘭杰因果模型等方法從腦區(qū)活動、腦區(qū)間功能連接、腦網(wǎng)絡(luò)等多個維度對認知功能的強弱變化機制進行了刻畫描述。同時，團隊進一步探究了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)引起的大腦神經(jīng)可塑性變化，明確了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的有效性。

2. 基于fNIRS與EEG的認知評估算法

基于fNIRS與EEG的認知評估算法是閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，認知評估模型的準確性決定了閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控設(shè)備的可靠性，而認知評估模型的多樣性決定了該設(shè)備的用途多樣性。團隊前期自行設(shè)計構(gòu)建了基于fNIRS與EEG等多模態(tài)腦信號同步的認知狀態(tài)標注數(shù)據(jù)集，設(shè)計開發(fā)了基于多模態(tài)腦信號融合的認知狀態(tài)評估算法。該算法由XGBoost模型與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合而成，其中深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動提取時間滑窗內(nèi)的多通道fNIRS與EEG數(shù)據(jù)特征，并與人工特征（時頻域特征）進行融合，最終使用XGBoost模型進行認知狀態(tài)判別。該方法將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工特征（先驗知識）進行了有效的融合，大大提升了分類判別正確率。

3. 基于tDCS的多腦區(qū)聯(lián)合刺激技術(shù)

對于特定認知能力的增強可能存在多個不同的靶腦區(qū)，均可以達到認知增強效果，而現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控設(shè)備只能針對單一腦區(qū)進行刺激，無法綜合多個靶腦區(qū)進行聯(lián)合刺激。因此，團隊開發(fā)了基于tDCS的多個靶腦區(qū)聯(lián)合刺激技術(shù)，首先利用MRI構(gòu)建頭顱電磁模型，并將其與tDCS刺激陣列匹配；其次，通過有限差分法模擬各個電極單獨施加單位電壓刺激時其在腦內(nèi)引起的電流分布，進而構(gòu)建tDCS刺激模型；最終，根據(jù)刺激目標，利用遺傳算法求解各個通道的tDCS電極刺激參數(shù)。

4. 基于fNIRS與EEG的神經(jīng)反饋技術(shù)

神經(jīng)反饋的效果很大程度上取決于靶信號的選擇，以往研究僅僅使用腦區(qū)活動水平或者腦電節(jié)律作為靶信號，而忽略了代表大腦狀態(tài)的腦區(qū)間功能連接、腦網(wǎng)絡(luò)等指標。團隊基于fNIRS和EEG等多模態(tài)腦信號構(gòu)建了綜合性神經(jīng)反饋系統(tǒng)，根據(jù)調(diào)控目標能夠從多個維度、多個模態(tài)對大腦進行調(diào)控，以增強調(diào)控效果。

5. 多功能設(shè)備一體化、集成化的設(shè)計與制造技術(shù)

現(xiàn)有的fNIRS設(shè)備體積龐大且價格昂貴，而EEG、tDCS設(shè)備同樣存在價格昂貴且便攜性、可操作性差的問題。團隊針對上述問題自主設(shè)計研發(fā)了便攜可穿戴式的多功能一體化設(shè)備，不僅集成了EEG、fNIRS等大腦信號檢測與tDCS刺激功能，而且增加了視覺反饋眼鏡，以實現(xiàn)神經(jīng)反饋訓(xùn)練功能。同時，該設(shè)備配置了嵌入式邊緣CPU、GPU異構(gòu)，支持深度學(xué)習(xí)人工智能程序運行計算，以及WIFI、4G/5G多模數(shù)據(jù)傳輸，支持數(shù)據(jù)入云。