入耳式EEG，最接近消费级产品的脑机接口形态？(最新Nature论文简介）

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论文速递

探索大脑奥秘，一种令人着迷的新科技正逐渐崭露头角——入耳式EEG（脑电图）系统。这种引人入胜的技术不再需要复杂的头盔或昂贵的设备，而是通过巧妙地融入我们日常生活中最常用的耳机中，让你在不知不觉中体验大脑的神奇世界。通过这一小巧而强大的设备，你可以连续监测大脑活动，就像观察一座灵活而神秘的城市一样。

本文总结：

耳朵脑电图（Ear-EEG）是一种通过观察皮肤上微小电压变化来测量大脑活动动态的方法，通常是通过在头皮上放置电极实现的。与全头皮脑电图（EEG）相比，耳朵脑电图的电极专门放置在内耳或周围的外耳，这既使其更难以察觉也更加灵活，但信号幅度显著减小，同时测量活动的大脑区域也减少。它大致可分为两类：一类仅在耳廓和耳道内部使用电极位置，另一类还将电极放置在耳朵附近，通常隐藏在耳垂后面。总的来说，第一种类型最为隐形，但信号也更具挑战性（嘈杂）。虽然耳朵脑电图很适合集成到听觉设备中，但由于耳朵脑电图传感器的复杂性，目前还没有实现这一点。

图一：入耳式EEG简介

Nature Communication论文：入耳式视觉和听觉脑机接口

清华大学提出了一种基于耳内生物电子学的视觉和听觉脑机接口，被命名为SpiralE。它可以在电热驱动下自适应地沿听道螺旋扩展，以确保与耳道的贴合接触。SpiralIE解决了一个很核心的入耳式视觉脑机接口技术问题：其中之一是耳道的几何复杂性和生理敏感性。耳道的形状曲折且因人而异，因此，为了形成紧密的电极-组织界面，电子设备必须具有可变形和适应性。然而，大多数当前的电子设备需要支撑物，如耳塞或3D打印的附件，以确保电极与耳道内壁充分接触。

虽然有希望，但一些常见问题仍然存在：（i）由于将曲面支撑表面与传统平面加工技术的电极集成，界面失效和电极破坏经常发生；（ii）固体支撑物阻碍受试者与外界的沟通；（iii）很难满足紧密接触和舒适性的相反要求。具体来说，硬而不可变形的支撑物不能够在曲折的耳道中兼容地变形，这常常导致电极与内耳道之间的局部界面附着不良。另一方面，软的支撑物具有可变形和适应性，也被提出以取代硬的支撑物，但在插入和拔出过程中，与敏感的耳道摩擦会导致刺激甚至炎症。

图二：SpiralE入耳式EEG系统。图片来源于Conformal in-ear bioelectronics for visualand auditory brain-computer interfaces

由于每个人的听道形状和大小各异，内部结构曲折，我们将我们的SpiralE以压缩的临时形状（较小的螺旋形状）引入耳道（图二a左上插图）。然后，我们通过施加由外部电场产生的焦耳加热来触发形状记忆效应，导致SpiralE扩展成具有较大半径的预定螺旋形状（图二a左下插图）。为了使SpiralE与耳道内壁紧密接触，预定螺旋的半径设计得比耳道的半径大。在形状恢复过程中，SpiralE将受到耳道壁的阻碍；因此，SpiralE可以适应听道的形状，有效解决用户之间变化和耳道复杂性的问题。此外，SpiralE在刺激被移除并冷却到体温后仍然自支撑在耳道内壁上，从而实现贴合适应，确保耳EEG检测的稳定性和可靠性（图二b左侧）。

在耳内拍摄的SpiralE形状已经使用医用内窥镜（OLYMPUS Visera Elite）进行了拍摄，如图二b右上插图所示，证明SpiralE可以很好地适应耳道内壁并呈中空形状。此外，在耳内EEG记录后小心地将SpiralE从耳朵中取出，并发现SpiralE呈不规则的三维结构，沿轴向具有可变半径，与耳道的形状一致（图二b右下插图）。经过电热激励，SpiralE继续变形，直到恢复到永久的大螺旋配置。这进一步表明，在刺激后SpiralE在耳朵中没有完全恢复到设计的均匀半径，而是自适应地符合耳道的内壁。

更重要的是，在插入-变形-检测-取出过程中，SpiralE的模量呈现降低-增加-降低的变化，不仅确保了在监测过程中与耳道的密切接触，而且减少了在扩展和取出过程中对耳道壁摩擦引起的不适感。另一方面，在耳中的SpiralE的变形和取出过程在较低的模量下进行，从而减轻了对耳道的潜在不良影响。此外，高模量提供了足够的支持，以符合耳道，从而减小由运动引起的EEG监测的不稳定性。此外，SpiralE被设计成一个长条状，平面尺寸为50毫米×3毫米（其中电极为直径1毫米的圆形），并以螺旋形式支撑在耳道上完成耳内EEG记录，而不是之前的设备与耳道内壁全面接触。这一策略进一步减小了与耳道的摩擦。

下面一个视频用来展示SpiralE系统自适应能力，SpiralE受电热驱动后开始慢慢贴附在管道内壁。这里的管道用来模拟人的耳道：

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为了验证SpiralE能否作为一种可能的脑-计算机接口（BCI）设备，文章首先记录了α节律作为SpiralE评估的基准。α节律是一种内生振荡，频率范围为8-13赫兹，主要出现在放松闭眼状态下的枕叶和顶叶，并与各种知觉效应相关。如图三a、b中的蓝线所示，SpiralE可以捕捉到以10赫兹为中心的清晰α振荡。

然后，文章建立了基于SSVEP的BCI，以展示所提出的SpiralE的优势。SSVEP是由特定频率的周期性视觉刺激引发的周期性神经响应。由于响应主要遵循刺激频率及其谐波，SSVEP可用于构建强健的高速BCI系统，用于标记感知过程。迄今为止，SSVEP-BCI一直是基于非侵入性脑电图的最有效的通信路径，具有广泛的人体增强潜力，包括增强感觉、行动和认知能力。为了全面研究SSVEP的特性及其在BCI控制中的潜力，我们设计了三个独立的实验，包括中央视野10赫兹SSVEP、9目标提示的离线BCI和40目标提示的在线拼写器。

首先，每个受试者被指示专注于中央视野中的10赫兹视觉闪烁8秒钟。所有受试者都展示了基于所提出的SpiralE的强频率标记效应，即在基本频率（f0 = 10赫兹）和其谐波处（图三a、b中的红线），从而验证了耳内电极的有效性。

然后，文章在一个9目标SSVEP实验中进行了窄带SNR分析（Supplementary Fig. 14），其中刺激频率在8-12赫兹之间，间隔为0.5赫兹。图三c中的深色和浅色阴影分别描绘了耳内和枕叶两种配置的组级SNR。结果表明，在α波段SSVEP中两种配置之间存在显著的谐波差异，耳内SSVEP相对于基本频率更强的2次谐波。这一现象与通常在枕叶观察到的谐波降低关系非常不同。这也体现了入耳式EEG的一些局限性。图三c的插图中用红线和蓝线可视化了不同的谐波趋势。尽管基本响应主要集中在枕叶，但耳内α波段SSVEP的更强烈趋势可能表明第二谐波在顶叶-枕叶区域更倾向于地形分布。这一结果可能为研究SSVEP机制的整个大脑动态提供更多证据，这需要在更大的人口中进一步研究。

图三：基于SpiralE的视觉脑机接口系统。图片来源于Conformal in-ear bioelectronics for visualand auditory brain-computer interfaces。

这篇文章讲的是：由于耳道与中枢神经系统的接近，耳内电生理系统可以用于不引人注目地监测大脑状态。在这里，通过利用耳朵的外分泌汗腺，我们描述了一种集成在耳机周围的柔性基质上的耳内电化学和电生理传感器阵列，用于同时监测乳酸浓度和大脑状态，通过脑电图、眼电图和皮电活动。在进行急性运动的志愿者中，该设备检测到汗液中升高的乳酸水平，同时观察到所有脑电图频段的脑活动调节。通过同时且持续地不引人注目地监测代谢生物标志物和大脑电生理学，可能有助于在真实环境中发现大脑与身体生物标志物之间的动态和协同作用，用于长期健康监测或神经退行性疾病的检测或监测。

图四：耳机内集成传感器组，持续监测脑活动和汗液中的乳酸系统。图片来源于 In-ear integrated sensor array for the continuous monitoring of brain activity and of lactate in sweat

文章研究通过战略性的材料选择、布局设计和制造工程，提出了一种不引人注目、完全集成在耳内的多模电生理和电化学传感器阵列，用于同时监测脑状态和动态代谢汗液浓度。这种集成的耳内电生理和电化学系统通过与广泛使用的耳机的紧密集成，实现了对生物信号空间中的两组主要特征的日常活动的跟踪，这两组特征刻画了一般的脑–身体健康状态。第一组特征实现了耳朵中的可穿戴脑–计算机接口（BCI）的一般形式，跟踪与脑状态相关的电生理信号，如EEG和皮电活动（EDA）。第二组特征实现了耳朵中代谢物的电化学分析。对于本研究，汗液中的乳酸被选择为分析物。联合脑状态和代谢物感测为可穿戴监测提供了一种独特的感测模式，解决了EEG和乳酸之间的关系。

耳内电生理感测系统为在耳道内不引人注目地监测大脑状态提供了优雅的解决方案。耳朵靠近中枢神经系统、主要血管和听觉皮层，同时由于耳朵天生的锚定结构而具有机械稳定性。除了获得生理参数，如EEG、脉搏和氧饱和度，它还有多个用于分析重要代谢物的外分泌汗腺。由于耳朵的极其有限的空间和耳朵之间的巨大解剖差异，开发一种涵盖广泛的生物物理学模态的通用用户耳朵传感器仍然是一个极具挑战性的目标。虽然已经演示了多种生理参数的耳内感测，但由于传统电化学传感器的相对较大形状，将脑状态和代谢物监测集成到单一的不引人注目的系统中仍然是一个难以实现的目标。

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