脑电图研究中的两个主要挑战

当代脑电图（EEG）研究与分析的挑战是什么？

1925年，德国精神病学家汉斯·贝尔格（Hans Berger）记录了第一个人类脑电图（EEG）。从那时起，脑-计算机接口和计算技术不断改进。

这篇文章探讨了EEG研究中的两个主要挑战，即：

1. 传统学术EEG研究的后勤复杂性，以及

2. EEG硬件的创新。

传统学术EEG研究的后勤复杂性

独占、资金不足、区域限制的受试者群体

让我们首先了解脑电图（EEG）研究。EEG研究和认知神经科学的研究方法涉及在受试者头部表面上放置定向的、非侵入性的电极，以记录人脑的电活动。通过涉及暴露于各种刺激的实验设计，可以分析大脑信号的变化并推断数据。

表1提供了使用EEG技术进行的研究和活动的概述。欢迎阅读这本EEG脑电图的入门指南。

表1：脑电图（EEG）研究的类型（改编自（Williams等，2020）

虽然EEG已被广泛接受为有效的研究工具，但其后勤工作可能很具挑战性。大多数资助机构为临床、转化或应用研究提供资金。然而，基础实验研究的资金相对较少。资金不足可能加剧参与者招募和进行合理实验研究的后勤困难，导致样本量小。这些小样本量方便地从一个限制的地理区域选取。

这种现象被称为WEIRD问题。它指的是典型研究样本中西方、受过教育、工业化、富裕和民主的人。这些样本群体并不能很好地反映现实世界的多样性或造就我们人类的独特认知和情感属性。

总结来说，这种情况限制了实验的实际意义和概括能力。由于这个原因，这些研究的发现难以推断出关于所有人类认知（即心理负荷、问题解决等）的新见解。

EEG硬件的创新

研究级、便携、低成本的设备在全球范围内可用

EEG设备

在过去几年中，研究人员通过便携式EEG设备突破了神经科学研究的传统障碍。脑-计算机接口（BCI）、脑-机器接口（BMI）或人-计算机接口（HCI）正是这样。它们使用EEG信号来表征和识别认知或情感状态。BCI正在迅速发展，成为改变人类与环境互动方式的手段。这是由硬件小型化和数据处理算法的改进驱动的。这些系统使人们能够通过神经反馈来改善自己，并鼓励人们在没有物理干预的情况下与周围环境互动。

EEG设备的未来

在过去十年中，EEG硬件普遍趋向于使这些工具更小、无线、便携且成本更低。

图1：EMOTIV的EPOC耳机

图2：EMOTIV的EPOC Flex耳机

然而，将曾经需要昂贵专用实验室的工作转移到便携、低成本的系统中并非没有忧虑。一些科学家对EEG耳机的有效性、质量或实用性表示担忧。为了研究这一点，研究人员进行了许多验证研究，证明这些系统的科学效用。

EEG耳机的低成本和便携性还开辟了可以在场外回答的广泛研究问题。也就是说，受试者的脑波可以在现实世界的情况下被测量，而传统硬件的移动性极小。在运动或运动心理学中，这是一个重大变化。

想象一个研究小组正在调查特定样本的大学学生在运动中的反应时间。他们询问足球守门员对球的反应时间是否比其他队友更快。在传统的研究范式中，这些受试者需要到实验室，连接电极，进行屏幕上的任务，并使用硬件按钮或键盘输入进行报告。而使用更新的EEG设备，这个问题现在可以直接在足球场上进行测量。

总体来说，EEG硬件的这些创新已在实验室之外开辟了实际应用。因此，它们增加了神经科学研究的能力和范围。

迎接创新 - 迎接EMOTIV

在过去几年中，深度学习和其他机器学习分析领域出现了令人兴奋的发展。因此，需要一个大规模的有效数据集（n=1000+）以利用这些程序的价值。考虑到EEG研究中的信号处理、分类、验证和性能评估的要求，如果这些人工智能方法得以应用，该领域将受益匪浅。大型数据是克服神经科学中当前实验研究迭代性质的关键，尤其是在神经退行性疾病和脑-计算机接口的更复杂领域。直到现在，这些数据尚不可用。

有两种方法可以增加潜在样本群体和随后收集的数据：

1. 开发可全球使用的研究级、便携、低成本的EEG硬件。

2. 改善数据收集、验证和自动分析技术。

消除挑战，拥抱变化。选择EMOTIV

EMOTIV在过去十年中EEG创新的回顾

在神经科学研究和临床环境中，EEG设备的使用继续增加（见图3）。在过去十年中，EMOTIV开发了研究级、无线、便携和易于使用的EEG设备，且其质量控制可供全球任何人访问，以应对这些挑战。

图3 - 包含“EEG”的出版物数量（1940 - 2021）来自神经科学信息框架

硬件演变

此外，EEG硬件已经从湿电极演变为干电极。湿电极安装耗时、佩戴不适，并限制移动性。采用干电极或混合电极的耳机工作迅速，便携，且制造和操作成本显著降低。这些技术进步使我们更接近神经研究的突破，但我们仍未完全到达。

确保多样化的样本集

EMOTIV可以帮助您增加研究的多样性。EMOTIV的EPOC系列EEG耳机已经存在十多年，并且得到了全球多个研究机构的独立验证。它们已被应用于多种场合，包括控制机器人肢体和轮椅、在安全系统中进行生物识别用户认证，以及识别认知和情感心理状态。

EMOTIV在全球范围内的潜力和低经济门槛促进了有限资源者的研究。例如，Parameshwaran和Thiagarajan在印度的农村和城市环境中使用EMOTIV EEG设备，展示了与社会经济状态、技术接触和旅行经验相关的EEG信号的差异。