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人类的合作依赖于社会交互以实现共同的目标，而人机交互的效果也可能受到各种社会交互因素的影响和增强。最新研究通过社会交互诱发受试者间的脑-脑耦合调制，从而显著提高了脑机接口系统的性能表现。该成果由清华大学智能与仿生机械实验室的研究团队完成，发表在了期刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

1、研究背景

脑机接口（BCI）系统将神经活动与外部设备连接起来，绕过了传统的神经肌肉通路，将人类从物理肢体的限制中解放出来，并为运动增强提供了一种很有前途的方法。然而，BCI解码准确率在不同个体之间存在较大的变异性，这限制了其进一步的应用。

已有研究表明，从触觉、前庭觉和视觉反馈中获得的多层神经信息的感知，可以显著影响BCI系统的性能表现。因此，社会互动过程中多感觉感知的作用可能类似，对BCI系统的性能提升具有积极意义。

这项研究旨在探索双人协作的BCI训练中的脑-脑耦合现象，通过对脑电图的超扫描数据分析，发现社会交互可以调制受试者的事件相关去同步（ERD）和大脑功能连接，并且显著提升了BCI系统的分类性能。

2、研究概述

实验装置和超扫描数据分析概述

本研究共招募了12对朋友作为实验组，10 对陌生人作为对照组。每一对受试者中一人被分配为领导者，另一人被分配为追随者（如果需要手部接触，领导者角色握住中间握把）。两人被要求在4 种不同的条件下执行运动想象任务：无社会交互、眼神交互、触摸交互和眼神-触摸交互。受试者被要求想象用右手将机器人从预设一侧移动到另一侧。本研究采集了受试者的64导脑电图超扫描数据，并分析评估了皮质激活程度、脑间功能连接和BCI系统性能表现。

实验设计概述

皮质激活

研究者对比了实验组和对照组在不同交互条件下的皮质激活调制情况，结果表明，触摸交互和眼神-触摸交互显著增强了实验组对侧感觉运动皮层的皮质激活程度，而对照组无显著差异。

皮质激活程度对比

脑间耦合网络

研究者进一步探索了实验组中领导者和追随者之间的脑间耦合网络模式。在眼神交互条件下，theta波段脑间耦合网络主要涉及领导者的额叶、顶叶和枕叶区域，以及追随者的额中央和顶叶区域。在触摸交互条件下，alpha波段脑间耦合网络主要涉及领导者的顶枕叶和额中央区域，以及追随者的额叶和顶叶区域。

脑间耦合网络模式

BCI系统性能提升

与无社会交互条件相比，实验组眼神交互条件和眼神-触摸交互的BCI系统解码性能显著提升，而触摸交互条件无显著差异。相比之下，对照组的BCI系统解码性能均无显著差异。

BCI系统解码性能比较

3、研究意义

论文研究了社交交互对基于运动想象的BCI训练期间神经振荡和脑间耦合的影响。研究发现，多模态感觉反馈能够增强皮质激活，并促进脑区间的耦合。作者指出，在基于BCI的机器人控制中引入社交交互可以进一步提升BCI的性能，同时增强受试者彼此间的神经同步。

内容来源：Enhancing Brain-Computer Interface Performance by Incorporating Brain-to-Brain Coupling | Cyborg and Bionic Systems 2024