基于脑电图的脑机接口中歌唱想象作为替代或附加控制任务的潜力研究

《Frontiers in Human Neuroscience》：Investigating singing imagery as an additional or alternative control task for EEG-based Brain-Computer Interfaces

本研究探讨了歌唱想象(SI)作为脑机接口(BCI)新型控制任务的可行性。通过对比传统运动想象(MI)任务（手、脚、舌）与两种SI变体（SIKin和SInoKin）的EEG信号，研究发现SI在多类别分类中表现优异，6类任务平均准确率达60%，且用户主观评价显示SI更直观易用。这项工作为扩展BCI指令集提供了新思路，特别适用于运动功能障碍患者。

　　

引言

脑机接口(BCI)技术为严重运动功能障碍患者提供了不依赖外周神经系统的通信和控制途径。传统基于运动想象(MI)的BCI系统通常使用手、脚、舌等部位的运动想象任务，但可区分的指令数量有限（通常不超过4类），限制了系统功能扩展。增加可靠的心理任务数量可直接提高可用指令数，从而增强BCI的实用性。歌唱想象(SI)作为一种直观的心理任务，可能成为传统MI范式的替代或补充方案。

方法论

研究招募了14名健康参与者，记录了他们在执行右手、左手、双脚、舌部MI、两种SI任务（SI_Kin和SI_noKin）及静息状态时的EEG数据。使用滤波器组共空间模式(FBCSP)进行特征提取，并采用随机森林算法对2类、4类、5类和6类场景进行分类。同时收集了参与者对任务难度和偏好的主观评价数据。

SI_Kin要求参与者想象唱歌时关注下颌、舌和唇的运动感觉，而SI_noKin则避免关注这些运动感觉。所有参与者完成了7个区块的实验，每个区块包含70次试验（每个任务10次）。

结果

在包含SI任务的2类、4类和5类分类场景中，分类准确率与传统MI任务子集相当。在6类场景中（传统4个MI任务+静息+SI），平均准确率约为60%，其中6名参与者超过70%——这通常被认为是有效BCI控制的阈值。混淆矩阵显示，舌部MI与SI_Kin之间存在较多误分类，表明这两种任务可能激活相似的神经机制。

主观评价结果显示，13/14的参与者更偏好SI任务而非舌部MI任务，8/14的参与者认为SI_Kin比SI_noKin更直观。任务难度评分显示，静息任务最容易，而SI_Kin和舌部MI被评为较难的任务（约2.5/5分）。

讨论

研究表明，SI产生的脑电模式与传统MI任务有足够区分度，可作为BCI的可行控制任务。特别是在多类BCI设计中，SI提供了增加指令数量的新途径，且用户接受度较高。SI任务可能涉及语言处理区域、运动前区、岛叶以及与发音准备和运动模拟相关的感觉运动区域，这解释了其与舌部MI的相似性以及与肢体MI的区分度。

虽然平均准确率未达到70%的理想阈值，但个体差异显著，部分参与者表现出色。未来研究需要在在线环境和临床人群中进行验证，并探索训练对性能提升的影响。

结论

歌唱想象作为BCI控制任务显示出巨大潜力，既能作为传统MI任务的替代方案，又能扩展系统指令容量。这一发现为开发更灵活、强大且以用户为中心的BCI应用提供了新方向。