CN110248697A - 脑机接口***及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于调制认知表现的脑机接口(BCI)***。所述***包括一个或多个电极组，用于感测与在所述用户的一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号，并且用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域；至少一个处理器/控制器，与所述一个或多个电极组通信；以及至少一个电源。所述处理器/控制器被编程以处理在所述一个或多个皮质区域中感测到多个信号及控制所述一个或多个目标脑部区域的所述刺激，所述多个信号用于检测一指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或一认知任务的执行有关，所述刺激响应于所述指示的所述检测用于调制所述用户的所述认知表现。所述多个目标脑部区域包括多个皮质区域、多个深层脑部结构及其组合。

Description

脑机接口***及其使用方法
相关申请
本申请要求2016年12月14日提交的美国临时专利申请No.62/433,946和2017年3月14日提交的美国临时专利申请No.62/470,900的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域与背景技术
在本发明，在一些实施例中，涉及用于增强和/或提高和/或改善一用户的认知表现的***。
这样的***尤其可以提高或增强，正常用户的记忆、工作记忆学习及注意力集中，并且可以用于改善患有神经障碍和/或神经精神障碍和/或与认知功能受损或减少相关的精神障碍的患者的认知表现。
脑机接口(Brain computer interfaces,BCI)是用于与大脑和其他类型的神经组织相互作用的装置或***，用于执行神经元组织的感测和/或记录，并且用于刺激这些组织中的神经元。这种BCI可以用于感测/记录与神经元活动相关的信号(通常是诸如电压或电流信号的瞬态电信号)。目前，大多数BCI包括多个导电电极，通常布置为二维(2D)或三维(3D)电极阵列。这种电极阵列可以通过传递合适的电流通过所述多个电极用来感测与神经元活动相关的电信号和/或刺激神经元。
包括在BCI中的一些电极或电极组可以是非侵入性的，例如颅外EEG电极阵列，而其他电极或电极组可以是侵入性的，例如放置在皮质表面上的柔性颅内电子皮层电极阵列。其他侵入性电极阵列可以被***皮质组织中(例如，犹他阵列，其通常可以放置在所述皮质表面上并且***到前几毫米的皮质组织中)。其他电极阵列可以设置在支架上。这种支架可以使用微创方法通过脉管******，并且可以设置在靠近相关脑部区域的脑血管中。
被本申请的所述BCI***的电极组感测和/或记录的信号尤其可以包括单个神经元细胞外记录的活动电势(尖峰)、来自单个或多个神经元的细胞外记录的神经元活动电位，局部场来自单个或多个神经元的电势(LFP)、由神经元组件的总和活动导致的表面记录的场电势、Ecog信号及颅外记录的EEG信号。
最近在使用这种用于感测/记录和/或刺激的BCI方面取得了重大进展，其用于感测/记录来自运动皮质的神经活动并处理所感测到的信号以控制假体的操作/移动以替换患者中的缺失肢体。在使用从四肢瘫痪患者的运动皮质记录的信号方面也取得了进展，使得这些患者能够控制电动轮椅或控制其他装置，例如可以执行各种功能以帮助这种患者的一计算机。
用于帮助盲人的这种BCI的其他用途包括使用由一外部摄像机获取的一视野图像，并且处理用以通过放置在所述视觉皮质表面上的一柔性Ecog电极阵列BCI来控制盲人患者的初级视觉皮质的电刺激，其导致盲人患者对光幻视的感知，这可能有助于患者的导航、物体识别及障碍物避免。
腹侧被盖区(VTA)是中脑的一部分，靠近黑质及红核。它富含多巴胺和5-羟色胺神经元，是两种主要多巴胺通路的一部分：1.中脑边缘通路，其连接所述VTA到所述伏隔核；2.中脑皮质通路，其连接所述VTA到所述额叶的皮质区域。所述VTA被认为是愉悦***或奖励回路的一部分，其是激励及行为动机的主要来源之一，因此可能与下文公开的强化学习方法及***相关。产生愉悦的活动倾向于激活所述腹侧被盖区，并且精神兴奋药物(例如***)直接针对这个区域。因此，它广泛涉及成瘾的神经生物学理论。它还被证明可以处理各种类型的情绪及安全动机，它也可以在避免及恐惧条件方面发挥作用。
所述前额皮质(PFC)是大脑额叶的前部，位于运动及前运动区域的前方。在细胞结构上，它通过内部颗粒层IV的存在来定义(与粒状前运动皮层相反)。可分为侧面、眶额及内侧前额区，与计划复杂的认知行为，这个大脑区域涉及规划复杂的认知行为、人格表达和调节正确的社会行为。这个大脑区域的基本活动被认为是依照内部目标的思想及行动的编排。由前额叶皮层区域执行的功能的最典型的神经学术语是执行功能。执行功能涉及区分冲突思想、确定好与坏、更好和最佳、相同和不同、当前活动的未来后果、朝着既定目标努力、结果预测、基于行动的期望以及社会“控制”的能力(抑制冲动的能力，如果不被抑制，可能导致社会不可接受或非法的结果)。许多作者指出了一个人的个性与所述前额皮质功能之间的整体联系。
所述背外侧前额皮质(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)是人类大脑中最近进化的部分之一，经历了极长的成熟期，持续到成年期。DLPFC不是解剖结构，而是功能结构。这个区域位于人类的额中回(即布罗德曼区域(BA)9和46的侧面部分，并且在猕猴中，该区域位于主要沟(即Walker区域46)周围。其他来源提出，DLPFC在解剖学上归因于BA 9和46以及BA 8、9和10。
所述DLPFC连接到所述眶额皮质，及各种脑部区域，包括丘脑、基底神经节的一部分(特别是背侧尾状核)、海马、以及新皮质的主要及次要关联区域，包括后颞叶、顶叶及枕骨区。所述DLPFC是背侧通路(背侧流)的终点，它告诉大脑如何与刺激相互作用。所述DLPFC也是参与运动规划、组织及监管的最高皮质区域。
另一方面，所述腹外侧前额皮质(位于DLPFC的下方/腹侧)是腹侧通路(腹侧流)的终点，其带来关于刺激特征的信息。所述DLPFC的一个重要功能是执行功能，例如工作记忆、认知灵活性、计划、抑制及抽象推理。但是，DLPFC并不专门负责执行功能。所有复杂的心理活动都需要与DLPFC连接的附加皮质及皮质下回路。
在所述DLPFC的研究中，一些任务非常突出，例如A-not-B任务、延迟响应任务及对象检索任务。与所述DLPFC最密切相关的行为任务是所述组合A-not-B/延迟响应的任务，其中主体必须在一定延迟之后找到隐藏的对象。这个任务需要记住信息(工作记忆)，这被认为是DLPFC的功能之一。成年猕猴的研究加强了DLPFC对工作记忆的重要性。破坏DLPFC的损伤扰乱了猕猴的A-not-B/延迟反应任务的表现，而对其他大脑部位的损伤并未影响其在此任务中的表现。
对于一单一个项目的记忆并不需要DLPFC。因此，对DLPFC的损坏不会损害识别记忆。然而，如果必须从记忆中比较两个项目，则需要DLPFC的参与。DLPFC损坏的人，当有机会从两张照片中选择时，在一段时间后，无法识别他们看过的照片。此外，这些受试者在威斯康星卡片分类测试中也失败了，因为他们忘记了当前正确的规则，并且坚持按照先前正确的规则组织他们的卡片。同样，DLPFC最常与驾驶、注意力及动机的功能障碍相关。轻微DLPFC损伤的患者在其周围环境中表现出不感兴趣，并且在语言和行为方面被剥夺了自发性。患者对他们认识的人及事件也可能不那么警觉。在一个人身上对这个区域的伤害也导致缺乏为自己和/或他人做事的动力。
工作记忆是主动掌握多种短暂信息在脑海里的***，在脑海里他们可以***纵。所述DLPFC对工作记忆很重要。DLPFC中的活动减少与工作记忆任务的不良表现相关。然而，脑部的其他区域也涉及工作记忆。
目前正在进行讨论，目前尚不清楚DLPFC是否专门用于某种工作记忆，即用于监视及操纵通用项目的计算机制，或者它是否更专业于处理更具体的项目子集，即视觉空间信息，这使得可以在心理上表示空间域内的坐标。
蓝斑(locus ceruleus,LC)，也称为蓝斑或蓝斑(拉丁语为“蓝点”)，是脑干中的一核，负责对压力其恐慌的生理反应。蓝斑(或“LC”)位于上脑桥的背壁上，位于尾中脑的小脑下，被第四脑室包围。这个核是大脑中去甲肾上腺素的主要来源之一，主要由中等大小的神经元组成。LC内的黑色素颗粒有助于其蓝色；因此，它也被称为色素核，意思是“脑桥的色素沉着的核”。神经黑色素通过去甲肾上腺素的聚合形成，并且类似于黑质中的黑色多巴胺基神经黑色素。这个核的突出广泛，其支配脊髓、脑干、小脑、下丘脑、丘脑中继核、杏仁核、基底端脑和皮质。来自LC的去甲肾上腺素对大部分大脑具有兴奋作用，介导唤醒并引发大脑神经元被刺激激活。有人说，单个去甲肾上腺素能神经元可以通过其分支来支配整个大脑皮质。
海马是位于颞叶内部的脑部的一部分(人类有两个海马，大脑两侧各有一个)。它构成了边缘***的一部分，并且在记忆及导航中发挥作用。这个名字源于它在大脑冠状部分的弯曲形状，有些类似于海马(希腊语：hippokampos)。在阿尔茨海默病中，海马成为脑部受损的第一个区域之一；记忆问题及定向障碍出现在最初的症状之中。海马的损伤也可能是由于缺氧(缺氧)及脑炎所造成的。在动物的解剖学中，海马是脑部中***发育最古老的部分之一。来自旧皮质的海马出现在灵长类动物与鲸类海洋哺乳动物中最为明显。尽管如此，在灵长类动物中，最年轻的物种，特别是人类，相对于脑部皮质的比例，海马占据较少的端脑。灵长类动物中海马体积的显着发展与脑质量的总体增加相关，而不是与新皮质发育相关。
尽管对描述海马及相邻皮质的术语缺乏共识，但海马结构一词通常适用于齿状回、CA1-CA3区域(或CA4，通常称为门，并被认为是齿状回的一部分)，及下颌骨。CA1及CA3区域组成海马。
通过海马的信息流从齿状回行进到CA3到CA1到下丘，在每个阶段提供额外的输入信息，并且在两个最后阶段的每一个输出。CA2仅代表海马的很小一部分，并且其在海马功能中的存在经常被忽略，但值得注意的是，这个小区域似乎异常地有抵抗力，对于通常会导致大量细胞损伤的病症，例如癫痫。
通常被认为是海马输入的主要来源的穿质通路主要来自内嗅皮质(以及周围皮质等)。内嗅皮质(EC)第二层为齿状回及CA3区域带来输入，而EC第三层为CA1区域及下托带来输入。海马的主要输出通路是所述穿质通路、扣带回及穹窿/穹窿，它们都来自场CA1区域及下托。
从EC第二层输入的穿孔路径进入齿状回并且被传递到区域CA3(以及位于齿状回的门中的苔藓细胞，其然后将信息发送到齿状回的远处部分，其中循环被重复)。区域CA3组合这个输入与来自EC第二层的信号，并在所述区域内发送广泛的连接，并且还通过称为雪佛侧枝的一组纤维发送连接到区域CA1。区域CA1接收来自区域CA3以及EC第三层的输入，然后投射到下托以及沿着上述海马的输出通路发送信息。所述下托是这个途径的最后阶段，结合来自CA1投射及EC第三层的信息，还沿着海马的输出通路发送信息。人们普遍认为，这些区域中的每一个区域在海马的信息处理中都具有独特的功能作用，但迄今为止，人们对每个区域的具体贡献知之甚少。
心理学家及神经科学家对海马的确切作用提出质疑，但总的来说，他们同意它在形成关于经验事件(情节记忆及自传记忆)的新记忆中起着重要作用。一些研究人员更倾向于将海马视为负责一般陈述性记忆的较大内侧颞叶记忆***的一部分(可以明确地用言语表达的记忆-这些记忆包括，例如，除了情节记忆之外的事实记忆的记忆)。
一些证据支持这样的观点，即尽管这些形式的记忆通常持续一生，但经过一段时间的巩固，海马在保留记忆方面不再发挥关键作用。海马体的损伤通常会导致形成新记忆(顺行性遗忘)的严重困难，并且通常还会影响损伤前的记忆(逆行性遗忘)。尽管逆行效应通常在脑损伤之前几年延续，但在某些情况下，旧的记忆仍然存在-这种对旧记忆的保留导致了随着时间的推移，巩固涉及将记忆从海马转移到脑部其他部分的概念。然而，实验在测试旧记忆的保留方面存在困难；并且，在一些逆行性健忘症的情况下，保留似乎影响在海马损伤发生之前几十年形成的记忆，因此它在维持这些旧记忆中的作用仍然存在争议。
对海马的损害不会影响记忆的某些方面，例如学习新技能的能力(例如，演奏乐器)，这表明这种能力取决于不同类型的记忆(程序记忆)和不同的脑部区域。此外，有证据表明，患者HM(双侧内侧颞叶切除作为癫痫的治疗方法)可以形成新的语义记忆。
一些证据表明海马存储及处理空间信息。对大鼠的研究表明，海马中的神经元具有空间发射场。这些细胞称为放置细胞。当动物发现自己处于特定位置时，一些细胞会发射，而不管行进方向如何，而大多数细胞至少部分地对头部方向及行进方向敏感。在大鼠中，一些称为***细胞的细胞可能会根据动物最近的过去(回顾性)或预期的未来(前瞻性)改变其发作。不同的细胞在不同的位置射击，因此，通过单独观察细胞的射击，可以分辨出动物的位置。现在已经在人类中发现了放置细胞，这些细胞参与了在虚拟现实城镇中找到自己的方式。这项研究结果源于对脑部植入电极的个体的研究，作为严重癫痫手术治疗的诊断部分。
放置细胞的发现导致海马可能充当一认知图-这是环境布局的一神经表示。最近的证据对这一观点产生了怀疑，表明在导航中海马可能对更基本的过程至关重要。无论如何，对动物的研究表明，简单的空间记忆任务需要完整的海马(例如，寻找回到隐藏目标的方式)。
如果没有功能齐全的海马，人类可能无法成功记住他们去过的地方以及如何到达目的地。研究人员认为，海马在寻找熟悉地方之间的捷径及新路线方面发挥着特别重要的作用。有些人在这种导航方面表现出比其他人更多的技能，并且脑成像显示在导航时这些人具有更活跃的海马体。
杏仁核(拉丁语，corpus amygdaloideum)是一组杏仁状神经元，位于脑部内侧颞叶的深处。杏仁核已经被证明在情绪处理中起着关键作用，它构成了边缘***的一部分。在人类和其他动物中，这种皮质下的大脑结构与恐惧反应及愉悦有关。杏仁核的大小与物种间的攻击行为正相关。在人类中，它是最性感的双态大脑结构，并且在***时男性收缩超过30％。由于损伤、发育问题或神经递质失衡、焦虑、自闭症、抑郁症、创伤后应激障碍及恐惧症等疾病被怀疑与杏仁核的功能异常有关。杏仁核实际上是几个独立运作的细胞核，解剖学家通过细胞核彼此接近而聚集在一起。这些细胞核中的关键是基底外侧复合体、中心核和皮质核。
基底外侧复合体可以进一步细分为外侧、基底和附属基底核。横向杏仁核，其传入基底外侧复合体的其余部分以及中心核，接收来自感觉***的输入，并且是大鼠恐惧条件反射所必需的。中心核是基底外侧复合体的主要输出，参与大鼠和猫的情绪唤醒。杏仁核将输出传递给下丘脑以激活交感神经***、用于增加反射的网状核、三叉神经及面神经的核用于面部表情的恐惧、腹侧被盖区、蓝斑和后背被盖核用于激活多巴胺、去甲肾上腺素及肾上腺素。皮质核参与嗅觉及信息素处理。它接收来自嗅球及嗅皮质的输入。
杏仁核在复杂脊椎动物(包括人类)中的关键功能是形成和储存情绪事件的记忆。杏仁核的损伤可能会损害巴甫洛夫恐惧条件反射的获得和表达，这是一种经典的情绪反应调节。大量的研究表明，在恐惧条件反射过程中，感觉刺激会到达基底外侧复合体，特别是杏仁核的外侧核，它们会相互关联。刺激与他们预测的厌恶事件之间的关联可能是由长期增强作用介导的，这是一种持久的突触可塑性。存储在外侧核突触中的情绪体验的记忆通过与杏仁核中心核的连接引起恐惧行为，杏仁核是涉及许多恐惧反应的起源的中心，包括冷冻(不动)、心动过速(心动过速)、呼吸增加及压力-激素释放。
杏仁核也在食欲(正面)调理中发挥作用。似乎不同的神经元对正面和负面刺激做出反应，但这些不同的神经元没有聚集成清晰的解剖核。抑制学习恐惧反应是恐惧及焦虑症的治疗干预的重要目标，例如创伤后应激障碍及人类恐惧症。有证据表明，杏仁核不仅涉及恐惧条件反射，还涉及恐惧反应的消退。当恐惧信号单独出现几次时，消退会减少对这些信号的恐惧反应。然而，消退训练并没有消除恐惧记忆；它伴随着抑制原始恐惧的新学习。值得注意的是，消退学习(至少对于恐惧反应)也可能需要杏仁核中的突触可塑性。***性脱敏是一种依赖消退学习的焦虑行为疗法。
杏仁核在调节记忆巩固方面也起着关键作用。在任何学习事件之后，对于事件的长期记忆不会立即形成。相反，关于事件的信息会随着时间的推移慢慢进入长期存储，这个过程被称为记忆巩固，直到它达到相对永久的状态。在巩固期间，记忆可以被调制。特别是，学习事件之后的情绪唤醒似乎影响了这个事件的后续记忆的强度。在学习活动之后更大的情绪唤起可以提高一个人对这个事件的保留。实验表明，在他们学习某些东西后立即给予个体压力激素可以增强它们的保留能力，当两周后它们接受测试时。
杏仁核，尤其是基底外侧杏仁核，在调节情绪唤起对事件记忆的影响方面起着关键作用，正如许多实验室所显示的那样，包括麦克高夫的实验室。这些实验室对各种学***台)逃避水)。如果将激活杏仁核的药物注射到杏仁核中，则这个动物对于这任务的训练具有更好的记忆。如果将一种使杏仁核灭活的药物注入其中，则这动物的记忆会受损。尽管杏仁核在调节记忆巩固方面具有重要意义，但是，如果没有它，学习就会发生，尽管这种学习似乎受到了损害，就像杏仁核损伤后的恐惧调节障碍一样。
与人类合作的证据表明，杏仁核起着类似的作用。在编码信息时的杏仁核活动与这个信息的保留相关。然而，这种相关性取决于信息的相对“情感”。更多情绪激动的信息会增加杏仁核活动，而这种活动与保留相关。
对大鼠的实验也表明，杏仁核参与了对滥用药物消费的各种线索的学习。众所周知，药物成瘾的一个主要问题是药物相关线索会引起个体的严重渴望，即使这些人长时间没有服用这些药物。基底外侧杏仁核似乎在最初学习线索与他们预测的奖励之间的关联方面发挥了关键作用。此外，基底外侧杏仁核的失活阻止了提示在药物自我给药范例中诱导大鼠恢复的能力。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可用于实践或测试本发明的实施方案，但下文描述了示例性方法和/或材料。如有冲突，将以专利说明书，包括定义，为准。另外，材料、方法和实施例仅是说明性的，并非旨在限制。
本发明的实施例的方法和/或***的实现可以涉及手动、自动或其组合地执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或***的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件、软件或固件或使用操作***的组合来实现若干所选任务。
例如，根据本发明实施例的用于执行所选任务的硬件可以实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的所选任务可以实现为由计算机使用任何合适的操作***执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，根据本文描述的方法和/或***的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行，诸如用于执行多个指令的计算平台。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁性硬盘和/或可移动介质。可选地，还提供网络连接。还可选地提供显示器和/或用户输入设备，例如键盘或鼠标。
发明内容
根据一些实施例，本申请还提供了一种脑机接口(BCI)***，用于增强和/或帮助和/或改善一用户的认知表现。所述***包括一个或多个电极组，用于感测与在所述用户的一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号，并且用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域。所述***还包括至少一个处理器/控制器，与所述一个或多个电极组通信。所述至少一个处理器/控制器被编程以处理在所述一个或多个皮质区域中感测到多个信号及控制所述一个或多个目标脑部区域的所述刺激，所述多个信号用于检测一指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或一认知任务的执行有关，所述刺激响应于所述指示的所述检测用于调制所述用户的所述认知表现。所述***还包括至少一个电源，用于使所述BCI***通电。
根据所述***的一些实施例，一个或多个刺激装置，用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域，所述一个或多个目标脑部区域选自由所述用户的一个或多个深层脑部构造、所述用户的一个或多个皮质区域及所述用户的至少一个皮质区域与至少一个深层脑部构造。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个皮质区域包括前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个深层脑部结构选自腹侧被盖区(VTA)、纹状体、尾状核、壳核、伏隔核(NA)、蓝斑、海马，杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、一背侧纹状体、一中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、黑质纹状体***的一部分，结节漏斗***的一部分、穹窿、梅纳德氏基底核(NBM)、前尾状核、背侧纹状体、丘脑前核、丘脑中央、外侧下丘脑、扣带回膝上部(BA25)、内嗅皮质、穿质通路、内侧额叶、丘脑底核及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述认知表现包括注意力集中表现、记忆表现、短期记忆表现、学习表现、记忆检索表现、工作记忆表现及其任何组合中的一个或多个。
根据所述***的一些实施例，所述认知任务选自一注意力集中任务、一注意力维持任务、一记忆任务、一短期记忆需求任务、一学习任务、一记忆检索任务及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述用户选自一正常用户及一用户，具有一神经障碍、一精神障碍或一神经精神障碍。
根据所述***的一些实施例，所述神经障碍、精神障碍或神经精神障碍选自注意力缺陷多动障碍(ADHD)、注意力缺陷症(ADD)、一学习缺陷、一注意力相关的缺陷或功能障碍、健忘症、一记忆相关的功能障碍、焦虑、抑郁、创伤性脑损伤、中风、痴呆、神经变性疾病及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个电极组配置成用于感测在所述用户的一个或多个附加皮质区域中的神经元电活动和/或用于刺激在一个或多个附加皮质区域中的多个神经元，所述附加皮质区域选自一视觉皮质区域、所述初级视觉皮质(V1)的一区域、所述视觉皮质的所述内侧颞叶、所述运动皮质的一区域、所述前运动皮质的一区域、所述躯体感觉皮质的一区域、所述听觉皮质的一区域、所述右侧皮质枕叶的所述近中面、所述联络皮质、所述初级视觉皮质、所述视觉皮质的其它区域、所述听觉皮质、所述运动皮质、BA17、BA 18、BA 19、BA 7、BA6、BA 5、BA 4及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个电极组选自非侵入性电极组、侵入性电极组及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个电极组选自下列多种电极组：
1)至少一个感测及刺激电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及用于刺激所述多个目标脑部区域中的一个或多个。
2)至少一个感测电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及至少一个刺激电极组，配置成用于刺激所述多个目标脑部区域中的一个或多个。
3)至少一个电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及用于刺激所述一个或多个皮质区域中的至少一个皮质区域。
4)至少一个电极组，配置成用于在所述DLPFC中感测及用于刺激所述DLPFC。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个电极组选自：
1)至少一个电极组，配置成用于感测与在所述一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号及至少一个电极组，配置成用于通过使用暂时干扰(TI)电场来刺激一个或多个深层脑部结构；以及
2)至少一个电极组，配置成用于感测与在所述一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号及用于通过使用暂时干扰(TI)电场来刺激一个或多个深层脑部结构。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个电极组选自包括两个或多个电极的一电极组件、一多电极阵列、一可植入电极阵列、一可注射网状电极阵列、一可多路电极阵列、一柔性电极阵列、是于应用在一皮质表面的一柔性电极阵列、一线性电极阵列、一Ecog表面电极阵列、一μEcog电极阵列、一皮质内可植入电极阵列、一支架电极、一支架电极阵列、神经尘埃传感装置、EEG电极、一电极组，包括植入在头皮下的两个或多个电极、一电极组，配置成用于执行非侵入性经颅频率干扰刺激(NTIS)、一电极组，配置成用于执行颅内频率干扰刺激(ICTIS)及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述与神经元电活动相关的多个信号选自多个细胞外记录的单一神经元活动电势、多个细胞外记录的电场电势及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述***还包括一遥测单元，所述遥测单元与所述至少一个处理器/控制器通信，用于与一外部遥测单元无线地通信。
根据所述***的一些实施例，所述指示选自，在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的一相位改变、在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的计算后频谱功率的一变化及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述频带选自德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带，或其任何组合。
根据所述***的一些实施例，所述至少一个处理器/控制器选自在所述用户的所述颅骨外部的至少一个处理器/控制器、至少一个颅内处理器/控制器、至少一个可穿戴处理器控制器、至少一个远程处理器/控制器、至少一个数字信号处理器(DSP)、至少一个图形处理单元(GPU)、至少一个量子计算设备(QCD)、一量子计算机及其任何组合。
根据所述***的一些实施例，在所述贝塔频带中的一计算后加权相位滞后指数(wPLI)的一变化、在所述伽马频带中的一计算后频谱功率(Pγ)的一变化，以及在所述贝塔频带处的一个或多个电极对中感测到的皮层电活动在所述贝塔频带中的所述计算wPLI的一变化及在所述伽马频带处的频谱功率的一变化。
根据所述***的一些实施例，所述至少一个电源选自在所述用户所述颅骨外部的至少一个电源、至少一个颅内电源、至少一个可穿戴电源、至少一个颅内电源接收器，用于从一颅外电源无线地接收电力、至少一个颅内电源接收器，用于从一颅外电源无线地接收与存储电力、至少一个颅内植入的感应线圈，适于从一颅外设置的感应线圈接收电能，及其任何组合。
根据一些实施例，本发明还提供了一种方法用于增强和/或帮助和/或改善一用户的认知表现。所述方法包括以下步骤：感测与在一个或多个皮质区域中的神经元活动相关的多个信号、处理用于检测一指示的所述多个信号，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或一认知任务的执行有关以及刺激所述用户的一个或多个目标脑部区域，所述刺激响应于所述指示的所述检测用于增强和/或帮助和/或改善所述用户的所述认知表现。
根据所述方法的一些实施例，所述一个或多个目标脑部区域选自，一个或多个深层脑部构造、一个或多个皮质区域及一个或多个深层脑部构造与一个或多个皮质区域的一组合。
根据所述方法的一些实施例，所述用户选自一正常用户及一用户，具有一神经障碍和/或一精神障碍和/或一神经精神障碍。
根据所述方法的一些实施例，所述用户是一用户，具有一神经障碍和/或一精神障碍和/或一神经精神障碍，并且其中与未执行所述刺激步骤时的所述用户的所述认知表现相比，所述刺激步骤改善所述用户的所述认知表现。
根据所述方法的一些实施例，所述神经障碍和/或所述精神障碍和/或所述神经精神障碍选自注意力缺陷多动障碍(ADHD)、注意力缺陷症(ADD)、强迫性神经官能症(OCD)、焦虑、抑郁、一学习缺陷、一注意力相关的缺陷或功能障碍、一记忆功能障碍、创伤性脑损、中风、痴呆、神经变性疾病及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述用户是一正常用户，并且其中与未执行所述刺激步骤时的所述用户的所述认知表现相比，所述刺激步骤增强所述用户的所述认知表现。
根据所述方法的一些实施例，所述一个或多个皮质区域包括前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述感测步骤还包括感测与在一个或多个附加皮质区域中的神经元活动相关的多个信号，所述附加皮质区域选自一视觉皮质区域、所述初级视觉皮质(V1)的一区域、所述视觉皮质的所述内侧颞叶、一运动皮质的一区域、一前运动皮质的一区域、一躯体感觉皮质的一区域、一听觉皮质的一区域、一右侧皮质枕叶的一近中面、所述联络皮质、所述视觉皮质的其它区域、一听觉皮质、一运动皮质、BA 17、BA 18、BA19、BA 7、BA6、BA 5、BA 4及其任何组合，并且其中所述处理步骤还包括处理在所述附加皮质区域中感测到的所述多个信号以检测所述指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或执行所述认知任务有关。
根据所述方法的一些实施例，所述一个或多个深层脑部结构选自腹侧被盖区(VTA)、纹状体、尾状核、壳核、伏隔核(NA)、蓝斑、海马，杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、一背侧纹状体、一中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、黑质纹状体***的一部分、结节漏斗***的一部分、穹窿、梅纳德氏基底核(NBM)、前尾状核、背侧纹状体、丘脑前核、丘脑中央、外侧下丘脑、扣带回膝上部(BA25)、内嗅皮质、穿质通路、内侧额叶、丘脑底核及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述刺激步骤选自，刺激一个或多个深层脑部结构用于增强所述用户的认知表现、刺激一个或多个深层脑部结构与一个或多个皮质区域用于增强所述用户的认知表现以及刺激一个或多个皮质区域用于增强所述用户的认知表现。
根据所述方法的一些实施例，所述刺激步骤包括刺激一个或多个皮质区域，所述一个或多个皮质区域包括一前额皮质(PFC)、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述感测、处理及刺激步骤是自动执行的。
根据所述方法的一些实施例，执行选自感测、处理及刺激步骤中一个或多个步骤是用户控制的。
根据所述方法的一些实施例，所述方还包括步骤：
1)刺激所述用户的所述视觉皮质，使所述用户感知一图形用户界面(GUI)的一虚拟图像。
2)在所述用户的运动皮质中感测与一自愿意图相关的多个信号，以执行一运动或执行一运动的想象或一运动的执行。
3)处理在所述运动皮中所感测到所述多个信号，以执行与所述GUI的所述虚拟图像的一交互，用于控制选自感测、处理及刺激步骤中的一个或多个步骤的执行。
根据所述方法的一些实施例，所述处理步骤包括使用选自以下的一方法来处理所述多个信号：核分析、主成分分析、谱分析方法、通用空间模式方法(CSP)、分析CSP(ACSP)、时域分析方法、频域分析方法、监督模式分类、群集寻求方法、似然函数及统计决策。
根据所述方法的一些实施例，所述指示选自，在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的一相位改变、在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的计算后频谱功率的一变化及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述频带选自德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带，或其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述感测及刺激步骤在一背外侧前额皮质(DLPFC)中执行。
根据所述方法的一些实施例，所述处理步骤包括计算所述感测信号的傅里叶变换(FT)以获得对于多个电极对的功率频谱数据，对所述数据执行相位耦合分析以计算一加权相位滞后指数(wPLI)，比较所述计算后wPLI与一阈值，并且在检测到所述计算后wPLI小于一阈值时，启动刺激所述用户的所述一个或多个目标脑部区域的步骤。
根据所述方法的一些实施例，启动所述刺激步骤的步骤包括在所述检测的开始的一时间延迟时段之后，启动所述刺激步骤。
根据所述方法的一些实施例，所述刺激步骤包括在所述刺激步骤的所述期间内，停止所述感测。
根据所述方法的一些实施例，所述处理步骤包括计算所述感测信号的傅里叶变换(FT)以获得功率频谱数据，从所述功率频谱计算在所述伽马频带中的所述频谱功率(Pγ)值，比较所述计算后Pγ与一阈值，并且在检测到Pγ小于或等于一阈值时，启动所述刺激步骤。
根据所述方法的一些实施例，启动所述刺激步骤的步骤包括在所述检测的开始的一时间延迟时段之后，启动所述刺激步骤。
根据所述方法的一些实施例，所述刺激步骤包括在所述刺激步骤的所述期间内，停止所述感测。
根据所述方法的一些实施例，所述指示选自，在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的一相位改变、在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的计算后频谱功率的一变化及其任何组合。
根据所述方法的一些实施例，所述频带选自德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带，或其任何组合。
根据一些实施例，本申请还提供了一种脑机接口(BCI)***，用于增强和/或帮助和/或改善一用户的认知表现。所述***包括：
1)一个或多个传感装置，用于感测与在所述用户的一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号。
2)一个或多个刺激装置，用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域，所述一个或多个目标脑部区域选自由所述用户的一个或多个深层脑部构造、所述用户的一个或多个皮质区域及所述用户的至少一个皮质区域与至少一个深层脑部构造。
3)至少一个处理器/控制器，与所述一个或多个传感装置通信与所述一个或多个刺激装置通信，所述至少一个处理器/控制器被编程以处理在所述一个或多个皮质区域中感测到多个信号及控制所述一个或多个目标脑部区域的所述刺激，所述多个信号用于检测一指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的一呈现和/或所述任务的执行有关，所述刺激响应于检测所述指示用于增强和/或帮助和/或改善所述用户的所述认知表现。
4)至少一个电源，用于使所述BCI***通电。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个传感装置包括多个电极，配置成用以感测与在所述一个或多个皮质区域中的电活动有关的多个电信号。
根据所述***的一些实施例，所述一个或多个刺激装置包括多个电极，配置成用以施加多电刺激信号给所述多个目标脑部区域。
最后，根据所述***的一些实施例，所述一个或多个传感装置中的至少一个传感装置包括一个或多个电极组，所述电极组配置成用以感测与在所述一个或多个皮质区域中的电活动有关的多个电信号，并且所述一个或多个刺激装置中的至少一个刺激装置包括一个或多个电极组，所述电极组配置成用以施加多个电信号给所述一个或多个目标脑部区域，用于电性地刺激所述一个或多个目标脑部区域。
附图说明
仅通过举例的方式，本文中参考附图描述了本发明的一些实施例，其中相同的部件由相同的附图标记表示。现在具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。
在附图中：
图1是根据本申请的增强认知***的一些实施例的一示意性框图，其示出的用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一通常***的组件。
图2是根据本申请的***的一实施例用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一示意性框图。
图3是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一实施例，所述***包括一个或多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)中的神经元活动，并且用以电性地刺激多个深层脑部构造。
图4是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一无线实施例，所述***包括一个或多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)的神经元活动，并且用于电性地刺激一个或多个，尤其是与学习、记忆及注意力调节相关的，深层脑部构造。
图5是根据本申请的所述***的增强/提高认知***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***，所述***包括多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)皮质区域及(可选地)在其皮质区域中的神经元活动，并且用于电性地刺激一个或多个，尤其是与学习、记忆及注意力调节相关的，深层脑部构造。
图6是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一颅内***，其设置在所述用户的颅内。
图7是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的***，其具有一些设置在所述用户的所述颅骨内的***组件及设置在所述用户的所述颅骨外部的所述***的一些其他组件。
图8是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意流程图，其示出用于训练和/或校准用于增强或提高或改善用户的认知表现的一***的一方法的步骤。
图9是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性流程图，其示出用于增强或提高或改善用户的认知表现的一***的一方法的步骤。
图10是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有一单个感测及刺激电极组的一***。
图11是根据本根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有感测及刺激电极组用于在两个皮质区域中感测并且用于刺激一个或多个皮质区域或一个或多个深部脑结构或一个或多个皮质区域与一个或多个深部脑结构的一组合。
图12是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***包括用于执行深层脑部构造的经颅频率干扰刺激的一组非侵入性电极及列用于感测和/或刺激一个或多个皮质区域的颅内植入的Ecog电极阵。
图13是示出图12的所述***的一颅内部分的功能组件的一示意性框图。
图14是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有多个颅内Ecog阵列，用于在多个皮质区域中执行感测，并且用于执行一个或多个深层脑部构造的颅内频率干扰刺激和/或用于直接刺激一个或多个皮质区域。
图15是示出包括在图14的所述***中的功能组件的一示意性功能框图。
图16至图19是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性流程图，其示出用于增强或提高或改善用户的认知表现的四种不同示例性方法的步骤。
具体实施方式
缩写词：
在整个说明书和本申请的权利要求中使用以下缩写：
ADD-Attention Deficit Disorder(注意力缺陷症)(目前该术语已在文献中被术语“Predominantly inattentive presentation–IA”取代，其等同于此)
ADHD：Attention Deficit Hyperactivity Disorder注意力缺陷多动障碍
BA：Brodmann Area(大脑视区)
BCI：Brain Computer Interface(脑机接口)
DBS：Deep brain stimulation(深部脑刺激)
DLPFC：Dorsolaterl prefrontal cortex(背外侧前额皮质)
DSP：Digital signal processor(数字信号处理器)
Ecog：Electrocorticogram(脑皮层电图)
Ecog BCI：Electrocorticographic brain computer interface(脑皮质电图的脑机接口)
EPROM：Electrically programmable read only memory(电可编程序只读存储器)
EEPROM：Erasable electrically programmable read only memory(电可擦只读存储器)
FMRI：Functional Magnetic resonance imaging(功能性磁共振成像)
GUI：Graphic User Interface(图形用户界面)
5HT：5hydroxytriptamine(5羟基三胺)
Hz：Hertz(赫兹)
IC：Integrated Circuit(集成电路)
ICTIS：intracranial temporal interference stimulation(颅内暂时干扰刺激)
IFG：Inferior frontal gyrus(下额回)
IMU：inertial measurement unit(惯性测量单元)
KHz：Kilohertz(千赫)
LAN：Local Area Network(局域网)
LC：Locus Ceruleus(蓝斑)
LFP：Local Field Potential(局部场势)
msec：millisecond(毫秒)
NA：Noradrenaline(去甲肾上腺素)
NTIS：non-invasive temporal interference stimulation(非侵入性暂时干扰刺激)
OCD：Obsessive compulsive disorder(强迫性神经官能症)
PFC：Prefrontal cortex(前额皮质)
ROM：Read only Memory(只读存储器)
RAM：Random Access Memory(随机存取存储器)
SSD：Solid state disk(固态硬盘)
TBI：Traumatic Brain Injury(创伤性脑损)
TI：Temporal interference(暂时干扰)
TPC：Temporoparietal cortex(颞顶皮质)
TPJ：Temporal Parietal junction(颞顶交界)
VTA：Ventral tegmental area(腹侧被盖区)
VPN：Virtual Private Network(虚拟专用网)
μV：microvolt(微伏)
WAN：Wide Area Network(局域网)
WM：Working Memory(工作记忆)
本申请的所述***及所述方法的一个方面是它们可以使用来在一正常用户中执行“认知提高”。认知(及延伸出的工作记忆、维持注意力及所述OLPFC的其它能力)可以被提高，通过感测在所述DLPFC或在其它皮质区域(例如TPC、TPJ PFC和/或任何涉及注意力、集中、维持注意力、学习及工作记忆控制的任何其他皮质区域)的电活动，在所述感测信号中检测与学习任务(例如，关联学习任务或记忆任务，或需要注意力集中并增加注意力范围的任何其他学习任务)相关的神经元活动模式，并且响应于这种检测，刺激一个或多个深层脑部构造(和/或一些皮质区域)，通过改善和/或增强和/或提高所述用户注意力范围、对所述任务的集中注意力及提高表现，有效地调制和/或提高学习及记忆，从而导致认知提高。
所述用户的所述认知表现的调制和/或提高或增强可能是由于在VTA多巴胺能神经元轴突的突触的处的多巴胺释放，所述VTA多巴胺能神经元轴突的突触终止于在所述DLPFC内的所述相关神经回路内的树突或细胞体(或上文所述的其他皮质区域)，其可以提高认知表现，尤其是由于相关皮质回路的加强，所述相关皮质回路涉及所述认知任务的表现，例如学习及记忆。
应当注意，如果刺激其他深层脑部构造(独立于所述VTA的刺激或与所述VTA的刺激一起)，则其他类型的神经调制剂可能参与提高或改善或增强所述用户的所述认知表现，例如，例如5-羟色胺(5HT)及去甲肾上腺素(NA)和/或各种不同的神经肽，其取决于被刺激的特定深层脑部构造。
本文公开的所述***及方法的另一方面是用以改善患有神经病学或心理神经障碍或受损认知表现的患者或用户的认知表现(例如，脑损伤影响记忆功能的人、创伤性脑损伤(TBI)患者、中风、痴呆、神经变性疾病、注意力集中及学习，无论是由于先天性疾病还是由于某些脑结构的损伤或退化和/或它们的功能(非限制性实例是患有ADHD、ADD、OCD、抑郁、临床抑郁、创伤性脑损伤、中风、健忘症和更特定类型的记忆障碍症的患者)。
根据本申请的所述***及所述方法的一些实施例，在正常用户或患有上文公开的疾病(或任何其他神经的或精神的和/或神经精神障碍或缺乏)的患者中，当在所述DFPLC和/或某些其他皮质区域中(例如所述TPC、TPJ PFC和/或参与注意力集中、维持注意力、学习及工作记忆控制的任何其他皮质区域)，检测到神经元活动的某些特定模式时，所述深层脑部结构(例如，但不限于，所述VTA、所述纹状体、所述尾状核、所述壳核、所述伏隔核、所述蓝斑、所述海马、所述杏仁核、和/或所述中脑边缘***的其它深层脑部结构、和/或功能性地参与提高或促进学习、记忆与注意力集中的其它深层脑部结构，及其他类型的用户的认知表现)的所述刺激可以完全自动执行。这源于对任务呈现时间的刺激的精确定时的需要，如Husam A.Katnani等人，发表于科学报告6，自然，文章编号：18806(2016)，题为“背侧和腹侧纹状体中的时间协调的深部脑刺激协同增强联想学习”的文章所示。然而，应当注意，在论文中描述的实验中，任务呈现以及因此深层脑刺激不是由猴脑中感测或记录的任何活动触发或链接的。
在本申请的所述***的一些实施例中，所述***可以以一“任务不受限制”模式操作，这意味着所述用户没有执行一特定任务，而是正常地进行他/她的日子。当所述***检测到WM或注意力回路参与所述DLPFC(或其他皮质区域)时，所述***自动地传递所述刺激给深层脑部结构，以实现认知表现的强化。
在本申请的所述***的一些其他实施例中，所述***可以以一“任务相关”模式操作，其中所述***仅在一临床管理或自我管理的任务的过程中刺激深层脑部结构，例如，A-not-B类型的任务。
在本申请的所述***的一些其他实施例中，所述***自动且自主地操作，所述用户可能无法控制向深层脑部结构输送刺激的所述时间及时空模式，其通过控制所述***的所述刺激电极组的所述处理器/控制器自动生成并且精确定时，以在这种学习和/或记忆任务中，或任何其他需要增强及集中注意力和/或动机的任务中，优化所述刺激对所述用户表现的提高效果。
然而，在本文公开的所述***的一些实施例中，所述用户和/或患者可以具有自愿地打开或关闭所述***的操作模式的能力。例如，所述用户或患者可以有能力，通过打开或关闭深层脑部结构的刺激，通过自愿地控制所述深层脑部结构的刺激操作(通过停用刺激或启用刺激)，来自愿地激活或停用***的所述“认知表现提高”操作。在下文中关于所述***的特定实施例更详细地公开了这种控制方法。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明不一定限于其应用于以下描述中阐述的构造细节和组件和/或方法的布置和/或在附图和/或实施例中的说明。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实践或实施。在本申请成熟的专利期间，可以预期用于感测神经元电活动(单个神经元和/或神经元组合)并用于单个或多个神经元的刺激的许多相关装置、***及方法将会发展，而且术语“感测电极组”、“感测电极组”、“刺激电极组”及“刺激电极组”的范围旨在分别包括所有这些新的传感和刺激技术。
相似地，在本申请成熟的专利期间，可以预期用于感测与神经元电活动(单个神经元和/或神经元集合中的任一个)相关的信号并用于刺激单个或多个神经元的许多相关装置、***及方法将会发展，而且术语“感知”和“记录”和“刺激”的范围旨在包括所有这些新技术的先验。
如本文所用，术语“约”是指≥10％。本文使用的“示例性”一词意味着“用作示例，实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其他实施例优选或有利和/或排除将特征与其他实施例结合。
词语“任选地”在本文中用于表示“在一些实施例中提供而在其他实施例中未提供”。除非这些特征冲突，否则本发明的任何特定实施例可包括多个“可选”特征。
术语“包括”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”及其缀合物表示“包括但不限于”。
术语“由...组成”表示“包括但限于”。
术语“基本上由...组成”是指组合物、方法或结构可包括其他成分、步骤和/或部分，但是，只有当附加的成分、步骤和/或部分不会实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖特征时。
在整个说明书和本申请的权利要求中，术语“正常用户”和“正常人”及其所有复数形式可互换使用，以表示不受损害认知表现的一个或多个方面的神经和/或心理和/或神经心理障碍的人或用户。
在整个说明书和本申请的权利要求中使用术语“电极组”及其所有复数形式表示包括两个或更多个电极的任何电极布置，所述电极被配置用于感测一个或多个脑部区域中的电活动和/或用于刺激一个或多个脑部区域，和/或用于感测及刺激一个或多个脑部区域。应当注意的是，这些术语可以仅指电极，但也可以指任何电子和/或电路，它们作为电极结构的一部分或作为电极组件或电极阵列的一部分包括在内，用于信号放大、信号调节、靠近电极传感部分的信号滤波。例如，如果Ecog型电极阵列包括集成在感测电极中或者支撑阵列的基板上的电极附近的电气和/或电子部件，整个阵列和与之相关的电子/电气元件可以称为“电极组”。
如本文所用，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可包括多种化合物，包括其混合物。
在整个申请中，本发明的各种实施例可以以范围格式呈现。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应该被解释为对本发明范围的不可改变的限制。因此，应该认为范围的描述已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对于诸如从1到6的范围的描述应当被认为具有特别公开的子范围，例如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及该范围内的个别数字，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围的广度如何，这都适用。
无论何时在本文中指示数值范围，其意图包括在所指示的范围内的任何引用的数字(分数或整数)。范围/范围在”第一个指示数字和第二个指示数字之间及“范围/范围从”第一个指示数字“到”第二个指示数字，在本文中可互换使用，并且意味着包括第一和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数数字。
现在参照图1，其是根据本申请的增强认知***的一些实施例的一示意性框图，其示出的用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一通常***的组件。
所述***10包括一个或多个感测/刺激电极组12，所述感测/刺激电极组12与一个或多个处理器/控制器通信。所述处理器/控制器14可以适当地连接到一个或多个存储器和/或数据存储装置16，用于存储及检索本领域已知的数据。
所述处理器/控制器14可以是一个或多个计算设备，其选自在所述用户的所述颅骨外部的一个或多个处理器/控制器、一个或多个颅内处理器/控制器、至少一个可穿戴处理器/控制器、至少一个远程处理器/控制器、至少一个数字信号处理器(DSP)、至少一个图形处理单元(GPU)、至少一个量子计算设备(QCD)、处理单元(CPU)及其任何组合。在一些实施例中，所述处理器/控制器14可以包括和/或模拟一神经网络。例如，所述处理器/控制器14可以包括或可以连接到一个或多个神经形态IC(其也可以包括在本申请的任何认知增强/提高***中)。替代地和/或另外地，所述处理器/控制器14可以编程为通过在所述处理器/控制器14上操作的软件来模拟一个或多个神经网络。
此外，所述处理器/控制器14可以通过互联网(优选地，无线地，但也可能以有线方式)或通过任何其他类型的网络访问“云”，例如，LAN、WAN、VPN或任何其他类型的有线或无线可访问网络。在一些实施例中，所述处理器/控制器14可以包括无线通信电路，例如蓝牙，或WiFi通信单元或电路(为了清楚起见，未详细示出任何附图)。这种无线通信装置可以使所述处理器/控制器能够与多个外部设备无线地通信，例如一远程计算机、一服务器、一移动电话或任何其他类型的设备。这样的实施例可能是有用的，特别是在所述处理器/控制器14的处理能力有限的情况下。这样的实施例可以允许将一些或所有计算负担卸载到其他处理设备，例如一远程计算机、服务器、一计算机集群或任何其他合适的计算设备，并且可以能够使用云计算，或并行计算，用于处理在所述DLPFC或其他脑部区域中所记录到的/感测到的数据，减少在所述处理器/控制器14上的计算负荷。然后，可以将这种卸载计算的结果返回或通信(优选地无线地)到所述处理器/控制器14，并用于执行如本文所公开的对适当的深层脑部结构的所述刺激的控制。
优选地，对于侵入性***，所述处理器/控制器14被微型化以具有尽可能小的尺寸并且使功率要求及热输出最小化。然而，如果使用的是可穿戴计算设备或类似的外部计算机设备，则可以增加计算设备的尺寸及功率要求。
所述处理器/控制器14和/或所述一个或多个感测/刺激电极组12可以包括任何必要的电路(为了清楚起见未示出)，其需要用来调制和/或放大和/或过滤和/或数字由所述一个或多个感测/刺激电极组12(例如，模数转换器(ADC)、信号放大器、模拟滤波器、数字滤波器或任何其他合适的电气和/或电子或光电电路)所感测到的所述电信号，如生物信号处理领域中已知的。
所述处理器/控制器14和/或所述一个或多个感测/刺激电极组12还可以包括任何电路(为了清楚起见未示出)，用于通过本领域已知的所述一个或多个感测/刺激电极组12提供电刺激给神经组织。这种电路可以包括一合适的(可选的)电源，例如一个或多个电流源、多路复用电路、一个或多个电脉冲发生器、定时电路以及如本领域所熟知的通过所述感应/刺激电极组12中的一个或多个来刺激神经元所需的任何其他电路。
在本文公开并在附图中示出的所有***实施例中，所述处理器/控制器14显示为直接地连接到一个或多个刺激电极组(或感测与刺激电极组)，而没有明确地显示这种刺激电路，应当理解的是，这种电路(例如，一个或多个电流源、多路复用电路、一个或多个电脉冲发生器、定时电路以及通过所述感应/刺激电极组中的一个或多个来刺激神经元所需的任何其他电路)可以包括在所述处理器/控制器14中，并且为了清楚说明起见未详细示出。
然而，所述***10(或本申请中公开的并且在附图中示出的任何其他***)可以包括包括在所述***中的一合适的电源3，用于提供电力给任何需要电力的***组件。应当注意的是，在下文中，为了清楚说明，将所述电源3连接到任何需要电力的组件的所述电源线没有在图1至图5中被示出。
所述***10还可以(可选地)包括一个或多个辅助传感器18，其适当地连接并且耦合到所述处理器/控制器14。所述可选的辅助传感器18可以包括一个或多个传感器，其选自一成像传感器、一单色成像传感器、一彩色成像传感器、一红外(IR)成像传感器、一紫外(UV)成像传感器、一电离辐射传感器、一盖革计数器、一麦克风、一立体深度传感器、一惯性测量单元(IMU)、一个或多个加速度计、一振动计、一温度传感器、一麦克风、一声学传感器，用于感测声音和/或次声和/或超声波、一热敏电阻、一传感器，用于感测和/或检测空气中挥发性化合物及其任何组合。
通常，本领域已知的任何合适的传感器，包括但不限于可以附接到***10的用户或由***10的用户穿戴或由其使用的上述传感器，也可以包括在所述辅助传感器18中。另外，所述辅助传感器18还可以包括任何传感器，这些传感器太重或太大或太麻烦而不能被所述***10的用户佩戴或连接或佩戴，需要通过这种辅助传感器与所述处理器/控制器14无线地通信(可以使用本领域已知的合适的无线通信***)。为了清楚说明起见，图1中未示出这种合适的无线通信设备，但是可以类似于图4的所述收发器TX1至TX4。这种辅助传感器可以包括，例如基于雷达的传感器设备、激光雷达(LIDAR)设备、地震检波器、声纳设备或本领域已知的任何其他大型传感器或传感器***。
所述辅助传感器18可以包括传感器(例如，一相机或立体深度传感器，或一激光测距仪)，其可以提供感测到的数据给所述处理器/控制器14，用以提供所述用户地理前后关系信息或数据(例如各种真实物体或所述用户身体或身体部位在空间中和/或在环境中相对于其他物体的位置)。
所述***10还可以(可选地)包括一个或多个效应器装置15。所述效应器装置15可以植入在所述用户身体内的效应器装置，但也可以是被所述用户携带和/或外部地附着在所述用户身体的外部效应器装置，或者是被所述用户穿在身体上的一件或多件衣服。所述效应器装置15还可以是放置在任何地方的任何类型的外部效应器装置，并且被正在使用所述***10的所述用户远程地及无线地控制和/或无线地操作。所述效应器装置15可以是附接到所述用户或由所述用户携带的效应器装置、携带所述用户的一效应器装置、一假肢、一机动车辆、一陆地车辆、一空中飞行器、一海上交通工具、在所述用户附近的一效应器装置、一远程效应器装置、一无人机、一携带所述用户的机动外骨骼设备、由所述用户操作的一机器人设备、一声源、一超声源、一音频扬声器、一可见光源、一红外灯。
所述效应器装置15还可以包括上述多种效应器的任何非互斥的组合及其任何组合。
根据一些实施例，所述效应器装置可以选自，用于可控制地递送一物质或一组合物到所述用户身体或所述身体的一选定部分的一装置、用于医疗和/或治疗性地处理所述用户身体的一装置和/或其任何组合。所述物质或组合物可以选自，药物、治疗剂、***、镇静剂、抗炎剂、肌肉松弛剂、抗菌剂、抗真菌剂、抗病毒剂、营养素、激素、神经递质、神经保护剂、维生素、抗凝血剂、或任何非药物。
一些所述效应器装置可以是用于医疗和/或治疗性地处理所述用户身体的治疗装置，并且可以选自，用于向所述身体或其一部分传递电刺激的一装置、用于加热或冷却所述身体或其一选定区域或器官的一装置、用于传递治疗性电磁辐射到所述身体或其一部分的一装置，及其任何组合。
所述存储器/数据存储装置16可以是本领域中已知的用于存储和/或检索数据的任何类型的存储器和/或数据存储装置。非限制性、示例性存储器和/或数据存储装置可用于***10(以及下文公开的任何其他认知增强/提高***)，可以包括一个或多个装置，例如ROM、RAM、EPROM、EEPROM、本领域已知的任何类型的闪存设备、光学存储器和/或存储装置及其任何组合。
所述感测/刺激电极组12可以是本领域中已知的任何类型的感测和/或刺激电极，其能够与一用户的所述神经***17的一个或多个部分相互作用，例如，所述用户的所述中枢神经***的一个或多个部分，但是也包括所述用户的所述神经***的任何其他部分或多个部分，但不限于，任何皮质区域、一个或多个边缘结构、交感神经***、副交感神经***、脊髓、外周感觉***、视网膜和/或视神经以及用户体内的任何其他神经组织。
所述感测/刺激电极组12可以实现为不同类型的电极组或电极群组，这取决于它们与之相互作用的神经***的区域。这种不同的电极组在本领域中是公知的，并且几种形式的这种电极组在市场上可商购获得。这种电极组件的结构和操作在本领域中是公知的，因此在下文中不再详细描述。简而言之，所述电极组12可选自，一单一个电极组、一多个电极组、一电极阵列、用于***脑内血管的一支架型电极阵列、一柔性单表面电极、一柔性多电极阵列，用于记录和/或刺激脑/或CNS的一个或多个表面，包括但不限于皮质区域和/或用于记录和/或刺激其的脑表面区域、用于在皮质区域和/或皮质层内部植入的柔性网状电极阵列、用于在任何深层脑部结构内部植入的柔性网状电极阵列、可以放置在皮质表面上的柔性网状电极阵列、用于植入眼内的视网膜电极组及上述电极和电极组类型的任何组合。
可以使用在提高/增强/改善认知***的，用于构造和使用这种不同类型的电极类型及其相关电子电路的方法，以及用于处理感测到的神经元活动以生成用于控制效应器装置(包括假肢)的命令的方法及算法，或执行用于模式识别和/或模式检测和/或模式分类的各种计算(模拟和/或数字)，和/或执行其他一般计算任务在本领域中是公知的，并且尤其在以下一些参考文献中详细描述：
1.Jeneva A.Cronin,Jing Wu,Kelly L.Collins,Devapratim Sarma,RajeshP.N.Rao,Jeffrey G.Ojemann&Jared D.Olson."Task-Specific Somatosensory Feedbackvia Cortical Stimulation in Humans.",IEEE Transactions on Haptics,DRAFT.DOI:10.1109/TOH.2016.2591952.
2.Kay Palopoli-Trojani,Virginia Woods,Chia-Han Chiang,MichaelTrumpis&Jonathan Viventi."In vitro Assessment of Long-Term Reliability ofLow-CostμECoG Arrays.",Micro Electro Mechanical Systems,2016,IEEEInternational Conference,24-28 January 2016,DOI:10.1109/MEMSYS.2016.7421580.
3.Shota Yamagiwa,Makoto Ishida&Takeshi Kawano."SELF-CURLING AND-STICKING FLEXIBLE SUBSTRATE FOR ECoG ELECTRODE ARRAY",Micro ElectroMechanical Systems,2013,IEEE 26th International Conference,20-24 January2013.DOI:10.1109/MEMSYS.2013.647428.
4.Yusuke Morikawa,Shota Yamagiwa,Hirohito Sawahata,Makoto Ishida&Takeshi Kawano."AN ORIGAMI-INSPIRED ULTRASTRETCHABLE BIOPROBE FILM DEVICE",MEMS 2016,Shanghai,CHINA,24-28 January2016,978-1-5090-1973-1/16/$31.002016IEEE,PP.149-152.
5.Nikita Pak,Joshua H.Siegle,Justin P.Kinney,Daniel J.Denman,TimBlanche&Ed S.Boyden.Closed-loop,ultraprecise,automated craniotomies.Journalof Neurophysiology 113,April 2015,Pp.3943-3953.
6.Tian-Ming Fu,Guosong Hong,Tao Zhou,Thomas G Schuhmann,Robert DViveros&Charles M Lieber.,"Stable long-term chronic brain mapping at thesingle-neuron level.",Nature Methods,Vol.13,No.10,October 2016,Pp.875-882.
7.Chong Xie,Jia Liu,Tian-Ming Fu,Xiaochuan Dai,Wei Zhou&CharlesM.Lieber.,"Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimallyinvasive brain probes.",Nature Materials,Vol.14,December 2015,Pp.1286-1292.
8.Guosong Hong,Tian-Ming Fu,Tao Zhou,Thomas G.Schuhmann,JinlinHuang,&Charles M.Lieber."Syringe Injectable Electronics:Precise TargetedDelivery with Quantitative Input/Output Connectivity",Nano Letters,Vol.15,August 2015,Pp.6979-6984.DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02987.
9.Jia Liu,Tian-Ming Fu,Zengguang Cheng,Guosong Hong,Tao Zhou,LihuaJin,Madhavi Duvvuri,Zhe Jiang,Peter Kruskal,Chong Xie,Zhigang Suo,Ying Fang&Charles M.Lieber."Syringe-injectable electronics.",Nature Nanotechnology,Vol.10,July 2015,Pp.629-636.DOI:10.1038/NNANO.2015.115.
10.David T.Bundy,Mrinal Pahwa,Nicholas Szrama&Eric C.Leuthardt.,Decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographicsignals in humans",Journal of Neural Engineering,Vol.13,No.2,2016,Pp.1-18.DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021.
11.Takufumi Yanagisawa,Masayuki Hirata,Youichi Saitoh,HaruhikoKishima,Kojiro Matsushita,Tetsu Goto,Ryohei Fukuma,Hiroshi Yokoi,YukiyasuKamitani&Toshiki Yoshimine,"Electrocorticographic Control of a Prosthetic Armin Paralyzed Patients.",Annals of Neurology,Vol.71,No.3,March 2012,Pp.353-361.DOI:10.1002/ana.22613.
12.Wei Wang,Jennifer L.Collinger,Alan D.Degenhart,Elizabeth C.Tyler-Kabara,Andrew B.Schwartz,Daniel W.Moran,Douglas J.Weber,Brian Wodlinger,Ramana K.Vinjamuri,Robin C.Ashmore,John W.Kelly&Michael L.Boninger."AnElectrocorticographic Brain Interface in an Individual with Tetraplegia",PlosOne,Vol.8,No.2,February 2013,Pp.1-8.DOI:10.1371/journal.pone.0055344.
13.Kay Palopoli-Trojani,Virginia Woods,Chia-Han Chiang,MichaelTrumpis&Jonathan Viventi.,"In vitro assessment of long-term reliability oflow-costμΕCoG arrays.",Engineering in Medicine and Biology Society,38thAnnual International Conference of the IEEE,16-20 August 2016.
14.L.Muller,S.Felix,K.Shah,K.Lee,S.Pannu&E.Chang."Thin-Film,UltraHigh-Density Microelectrocorticographic Decoding of Speech Sounds in HumanSuperior Temporal Gyrus.",Lawrence Livermore National Laboratory,IEEEEngineering in Medicine and Biology Conference,Orlanda,FL,United States,August 16,2016 through August 20,2016.LLNL-CONF-684084.
15.Jonathan Viventi,et al.,"Flexible,Foldable,Actively Multiplexed,High-Density Electrode Array for Mapping Brain Activity in vivo.",NatureNeuroscience,Vol.14,No.12,Pp.1599–1605.DOI:10.1038/nn.2973.
16.Thomas J.Oxley et al.Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity,chronic recordings of cortical neuralactivity.Nature Biotechnology,Vol.34,No.3,February 2016.DOI:10.1038/nbt.3428.
17.Edward S.Boyden,Feng Zhang,Ernst Bamberg,Georg Nagel&KarlDeisseroth,"Millisecond-timescale,genetically targeted optical control ofneural activity",Nature Neuroscience,Vol.8,No.9,September 2005,Pp.1263-1268.DOI:10.1038/nn1525.
18.Karl Deisseroth."Optogenetics",Nature Methods,Vol.8,No.1,January2011,Pp.26-29.DOI:10.1038/NMETH.F.324.
19.Karl Deisseroth."Optogenetics:10 years of microbial opsins inneuroscience.,"Nature Neuroscience,Vol.18,No.9,September 2015,Pp.1213-1225.
20.Andre Berndt Karl Deisseroth."Expanding the optogenetics toolkit:Anaturally occurring channel for inhibitory optogenetics is discovered."Science,Vol.349,No.6248,August 7,2015,Pp.590-591.
21.S.Yamagiwa,M.Ishida&T.Kawano.,"Flexible parylene-film opticalwaveguide arrays.",Applied Physics Letters,Vol.107,No.083502,2015,Pp.1-5.DOI:10.1063/1.4929402.
22.Michael Joshua Frank,Johan Samanta,Ahmed A.Moustafa&ScottJ.Sherman."Hold Your Horses:Impulsivity,Deep Brain Stimulation,and Medicationin Parkinsonism.",Science.,Vol 318,No.5854,December 2007,Pp.1309-1312.DOI:10.1126/science.1146157.
23.David J.Foster&Matthew A.Wilson."Reverse replay of behaviouralsequences in hippocampal place cells during the awake state.",Nature 04587,Pp.1-4.DOI:10.1038.
24.Nir Grossman,,David Bono,Nina Dedic,Suhasa B.Kodandaramalah,AndriiRudenko,Ho-Jun Suk,Antonino M.Cassara,Esra Neufeld,Niels,Li Huei Tsai,AlvaroPascual-Leone and Edwards S.Boyden,"非侵入性Deep Brain Stimulation viaTemporally Interfering Electric Fields",Cell 169,pp 1029-1041,June1,2017.
25.US Patent 8,121,694to Molnar et al.entitled"Therapy control basedon a patient movement state".
可以由感测/刺激电极组12感测/记录的电活动的类型可以包括单一神经元电活动(细胞外记录的单一神经元活动电势)、同时感测/记录多个神经元电活动(细胞外记录多个神经元动作电势)、感测细胞外记录的场电位，细胞外记录的电场电势、感测/记录来自多个神经元的总电活动的脑皮层电图(Ecog)类型(例如，记录有记录Ecog阵列类型的表面的Ecog)。
另外，虽然多个电极组包括多个导电电极，其用于记录代表单一个或多个神经元电活动的神经元电活动的，并且用于电刺激单个或多个神经元是优选的，由于其良好表征的特性和与神经组织的相互作用，但是本申请的***不限于使用这种电极组的电性记录及刺激类型的设备。而是，其他类型的感测和/或刺激装置也可用于替换所述***10的所述电极组12。例如，也可以使用利用光学检测神经元组织活动的感测和/或刺激装置，并且还可以使用利用光学方法刺激单个或多个神经元的刺激装置。这种光学装置例如在以下参考文献中公开：
1.Edward S.Boyden,Feng Zhang,Ernst Bamberg,Georg Nagel&KarlDeisseroth.,"Millisecond-timescale,genetically targeted optical control ofneural activity.",Nature Neuroscience,Vol.8,No.9,September 2005,Pp.1263-1268.DOI:10.1038/nn1525.
2.Karl Deisseroth."Optogenetics.",Nature Methods,Vol.8,No.1,January2011,Pp.26-29.DOI:10.1038/NMETH.F.324.
3.Karl Deisseroth."Optogenetics:10years of microbial opsins inneuroscience.,"Nature Neuroscience,Vol.18,No.9,September 2015,Pp.1213-1225.
4.Andre Berndt,and Karl Deisseroth."Expanding the optogeneticstoolkit:A naturally occurring channel for inhibitory optogenetics isdiscovered."Science,Vol.349,No.6248,August 7,2015,Pp.590-591.
可以在本申请的***中使用的其他类型的电极组可以包括在本申请中公开的任何参考文献中公开的任何类型的电极组。
例如，理论计算表明使用超声波通信方法的某些类型的“神经尘埃”实施方式可以使非常小(约50微米大小)的非束缚无线装置植入神经元组织中以用于感测和/或刺激目的。此类神经尘埃实施的示例可在以下出版物中找到：
1)Dongjin Seo,Ryan M.Neely,Konlin Shen,Utkarsh Singhal,Elad Alon,JanM.Rabaey,Jose M.Carmena and Michel M.Maharbiz,entiteled"Wireless Recording inthe Peripheral Nervous System with Ultrasonic Neural Dust",published inNeuron 91,529–539,August 3,2016.
2)Biederman William et al.“A Fully Integrated Miniaturized(0.125mm2)10.5μW wireless neural sensor”.Published in IEEE Journal of solid StateCircuits,Vol.48Issue 4,April 2013:DOI:10.11o9/JSSC 2013.2238994.
Ecog电极阵列，其使用方法以及用于分析由此感测到的神经元活动相关信号的方法及算法尤其在以下出版物中公开：
1)David T Bundy,Mrinal Pahwa,Nicolas Szrama and Eric C Leuthardt,“decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographicsignals in humans”,J.Neural Eng.13,23February 2016.
2)Gerwin Schalk and Eric C Leuthardt,“Brain–Computer Interfaces UsingElectrocorticographic signals”,IEEE Reviews In Medical Engineering,Vol.4,2011.
3)Eric C Leuthardt,Gerwin Schalk,Jonathan R Wolpaw,Jefrey G Ojemannand Daniel W Moran；“A Brain-Computer Interface Using ElectrocorticographicSignals In Humans”.J.Neural Eng.1.Pp.63-71(2004).
所述感测/刺激电极组12可以是几种类型的一个或多个电极或电极组的任何组合。例如，对于皮质区域感测/刺激，所述电极组12可以包括多个表面记录半侵入性电极，其中单个或多个电极放置在脑部表面上、多个侵入性电极组，例如一个或多个犹他阵列或其他多电极阵列类型，通过穿透所述皮质表面侵入性地植入所述相关皮质层内。侵入性植入Ecog型电极阵列，设置在一皮质表面或所述硬脑膜表面。在一些实施例中(通常，在需要非侵入性感测/刺激的应用中)，所述电极组12还可以包括放置在所述用户头皮表面上的颅外EEG型电极，如本领域中已知的。
对于需要感测和/或刺激深部脑区或深层脑部结构的应用，所述电极组12可以包括一个或多个侵入性类型的电极或电极阵列，其可以立体定位植入一个或多个深层脑部结构中。这种电极组还可以包括深度可注射的柔性电极阵列(网状或任何其他类型的，可以通过注入它们到所述深层脑部结构而植入)。此外，包括感测和/或刺激电极或电极阵列的支架型装置可以是半侵入性的(或最小侵入性的)递送并且布置在这种深层脑部结构附近的血管内，以在这种深层脑部结构中执行感测和/或刺激，如Oxley等在"Minimally invasiveendovascular stent-electrode array for high-fidelity,chronic recordings ofcortical neural activity",in Nature Biotechnology 34(3),February 2016DOI:10.1038/nbt.3428所公开的文章一样。
所述***10的所述电极组12布置成用以感测所述脑部的各个不同区域内的所述神经元活动，并且用以刺激所述用户的所述中枢神经***(CNS)17的一个或多个区域以在所述受刺激的CNS区域中唤起神经元活动。用于将这种电极组放置在所述头皮上和/或用于植入表面皮质的电极组、电极阵列和/或在皮层内或深层脑部结构中植入穿透电极的各种技术和方法在本领域中是已知的，不是本申请的主题，并且在文献以及本文引用的参考文献中充分公开。
现在请参照图2，其是根据本申请的***的一实施例用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一示意性框图。所述***20包括如上文详细公开的所述处理器控制器14。所述***20还可以包括所述存储器/数据存储装置16，所述(可选的)辅助传感器及所述(可选的)效应器装置，如上文详细公开的那样，适当地耦合到所述处理器/控制器14。所述***20还可以包括一感测电极组12B，用于感测(和/或记录)在所述运动皮质23中的神经元活动(和/或可选地在所述前运动皮质中)及另一感测电极组12B，用于刺激所述初级视觉皮质21，使所述***20的所述用户由于所述视觉皮质的刺激而感知在所述用户的视野内的一虚拟图像。
所述虚拟图像可以与通过所述用户的眼睛所接收的环境的“真实”视觉图像集成或叠加，并且通过所述视觉通路正常地传递到所述视觉皮质。
由所述***20的所述用户感知的所述虚拟图像可以是对所述用户有用的任何期望图像，用于执行各种任务和/或呈现数据或信息给所述用户(例如内部身体信息或通过包括所述辅助传感器18的医疗传感器所提供)。
呈现给所述用户的所述信息或数据可以是图形信息(一个图像或多个图像)，和/或字母数字(诸如包括字符和/或数字的文本信息)以及这种视觉可感知图像的任何合适组合。例如，通过刺激所述初级视觉皮质21(或所述视觉皮质的任何其他部分或区域)，一虚拟图像可以被所述用户感知，这可以包括一虚拟图形用户界面(GUI)，所述虚拟图形用户界面可以使所述用户能够执行一个或多个一般计算任务。这种一般计算任务可以包括但不限于，操作和/或控制任何软件程序(或其任何子程序)的运作，所述软件程序可以在所述处理器/控制器14上操作。
例如，所述初级视觉皮质21的刺激可以使所述用户感知叠加在所述用户可见地观察到的正常感知视野(FOV)上的一虚拟对话框。这样的虚拟对话框可以包括可选择的选项，其可以通过“指向”或“点击”包括在所述虚拟对话框中的“虚拟按钮”来选择或决定，例如移动一虚拟光标到所述虚拟按钮上。此外，所述用户还可以通过使用自然手势转换、旋转或缩放3D工具或2D或3D内容来与人工诱导的虚拟图像或对话框等交互，例如用一个或两个闭合或半闭合“抓住”或“捏”手势抓紧、捏住或抓住所述内容，并且通过移动(或通过计划和/或打算移动)所述手的中心环绕所述用户的空间来操纵所述内容。另外的实施例包括通过移动或计划移动一个物理肢体来移动更多虚拟肢体的能力。在传统的虚拟现实(VR)设备及***中，用于控制计算任务的这种交互式图像通过一HUD装置或通过虚拟现实护目镜或眼镜呈现给所述用户，并且被投射到所述用户的所述视网膜中通过所述用户的所述视觉路径正常传送以被所述用户感知。然而，相反，本申请的所述虚拟图像是直接刺激所述视觉皮质(初级视觉皮质和/或所述视觉皮质的任何其他区域或所述视觉皮质的这类区域的任何所需组合)的结果。
通过直接刺激所述视觉皮质，通过使用一外部成像器图像获得的图像的这种呈现在本领域中是已知的，并且已经成功地用于通过刺激所述患者的所述视觉皮质向盲人患者提供与摄像机感测到的环境相关的图像。然而，在所述***20中，所述用户可以通过使用所述***(例如但不限于感测电极组12B)来感知在所述运动皮质23中的神经元活动与所述虚拟图像(例如虚拟对话框、光标图像或任何其他图形图像或符号)交互，所述在所述运动皮质23中的神经元活动是由所述用户自愿地移动手臂或者甚至主动地计划或打算沿某个方向移动手臂(实际上没有移动手臂)而产生的。
应当注意的是，使用BCI来感测所述运动皮质中的神经元活动以控制假体的运动在本领域中是公知的，并且可以通过对所述运动皮质中感测到的所述信号的适当处理来执行，以生成用于操作所述假体的命令，如David T.Bundy,Mrinal Pahwa,Nicholas Szrama&Eric C.Leuthardt等在"Decoding three-dimensional reaching movements usingelectrocorticographic signals in humans.",published in Journal of NeuralEngineering,Vol.13,No.2,2016,Pp.1-18.DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021的报告中详细公开的一样。
到本发明的发明人所知，在所述运动皮质中使用神经元活动的感知及处理与通过直接刺激所述视觉皮质呈现给所述用户的的一虚拟图像交互，以执行一般计算任务从未被教导或甚至建议。
所述一般计算任务可以是，例如，启动或开始或停止编程到所述处理器/控制器14中的一计算机程序的执行、与这样的一程序的一虚拟图形用户界面交互(通过在所述处理器/控制器14控制下的所述刺激电极组12A以刺激所述视觉皮质来呈现)、向所述用户显示数据和/或信息、通过驻留在所述处理器/控制器14中的一计算机软件与一虚拟GUI交互用于控制所述效应器装置15中的一个或多个的运作、或可以通过这种自愿的主动交互(通过在所述运动皮质中感测并且处理所述感测到的信号，以控制所述用户与一虚拟图像的交互，所述虚拟图像因为被所述处理器/控制器14控制的所述用户的所述视觉皮质刺激而被感知)而执行的任何其它类型的计算任务。
所述***20的其中一个优点是其消除了对一HUD或VR护目镜或其他VR设备的需要，因为所述虚拟图像因为直接刺激所述视觉皮质而被所述用户感知。
另一个优点是，与执行真实的肢体运动以与一图像交互相比，在前运动皮质中的记录可以更快，因为它可以比所述运动皮质及肌肉-骨骼***活动早一段时间(通常约200-500微秒)。因此，所述***20可以有利地比使用VR设备的其他***更快地做出反应来执行任务，这可以改善所述用户在某些任务中的反应时间。例如，这对于改善特定类型的所述效应器装置15的操作和/或控制的速度可能是非常有利的。在这样的任务中，例如，在一空中飞行器或一陆地车辆的操作中，所述用户的反应时间可能非常重要，这里公开的认知提高***具有明显的优点。另一个优点可以是从运动计划或一单个肢体的直接运动控制若干虚拟肢体的能力。这种一对多方法可以以非常直观的方式允许用户更精细或更多维度的控制。
本申请的所述***还可以用于增强和/或改善和/或提高和/或控制和/或调制在所述正常用户或具有如本文以下所述的特定障碍的患者中所述认知任务的表现，(例如，注意力集中、注意力水平、短期记忆表现、长期记忆表现、工作记忆表现)。
本申请的所述***还可以用于增强和/或改善和/或提高和/或调制所述认知任务的表现，例如，增加对不同种类刺激的工作记忆存储项目的数量、增加一用户在工作记忆中持有一给定工作记忆项目的时间、增加一用户可以对一特定刺激维持注意力的时间、通过所述用户“阻挡”竞争刺激的能力来增加对一特定刺激的注意力强度、通过所述用户选择性地增加在相关DLPFC回路中的电活动的能力或通过用感测电极组12C直接刺激DLPFC，来增加对特一特定刺激的注意力强度、或间接通过针对性的释放所述神经递质多巴胺(例如，通过效应器15)、或通过感测电极组12C的一修改版本，其有能力将多巴胺直接注入所述DLPFC的选定区域或其附近、提高解析文本、图像等刺激的速度，并将其存储到长期记忆中。
在一些具有局部地注射一神经递质(例如，多巴胺)能力的***实施方案中，使用配置作为一局部皮质注射器的一效应器15及一DLPFC感测电极组(例如所述感测电极组12C)，所述***可以测量所述效应器15释放的所述神经递质(例如多巴胺)的量，并且呈现在所述CNS感兴趣的位置与调制它，基于当前注意力水平、工作记忆或通过所述BCI***在所述DLPFC中执行感测所测量到的其他认知表现。
在一些具有局部地注射一神经递质(例如，多巴胺)能力的***实施方案中，使用配置作为一局部皮质注射器的一效应器15及一DLPFC感测电极组(例如所述感测电极组12C)，并且其中所述辅助传感器中的一个用于测量一生理参数(例如，所述用户的心率、所述用户的血压、或所述用户的任何其他合适的生理或物理化学参数)，当在所述DLPFC中感兴趣的区域存在一特定量的神经递质时，所述***可以基于所述用户的所述认知表现来调制注入发射器的量，以及通过确定生理参数的值并且还将其用于调制或改变通过所述效应器15传递给所述DLPFC的神经递质的量。
现在参照图3，其是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一实施例，所述***包括一个或多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)中的神经元活动，并且用以电性地刺激多个深层脑部构造。
所述***30可以包括所述处理器/控制器14，其还可以(可选地)适当地耦合或连接到所述存储器/数据存储装置16，如上文详细公开的。所述处理器/控制器14还可以(可选地)适当地耦合或连接到所述(可选的)辅助传感器18和/或所述效应器装置15，如上文关于所述***10及20(分别为图1及2)详细公开的那样。
所述***30还可以包括一个或多个感测与刺激电极组。图3中所示的所述***30的具体实施例包括一个或多个感测电极组12C及一个或多个刺激电极组12D。所述感测电极组12C及刺激电极组12D适当地连接到所述处理器/控制器14。
所述感测电极组12C适当地耦合到所述背外侧前额皮质39并且设置在所述DLPFC39的表面附近或所述DLPFC 39内(取决于用于实现所述感测电极组12C的配置类型)。所述第一感测电极组12C可以用于感测与在DLPFC 39中的神经元活动相关的多个信号。例如，所述感测电极组12C可以是设置在所述DLPFC 39的表面上的一柔性平面电极阵列，用于感测/记录表示所述DLPFC 39中神经元活动的一脑皮层电图(Ecog)，如本领域所熟知和上文所公开。然而，所述感测电极组12C还可以是如上文所公开的用于执行表面感测，或用于植入所述DLPFC 39内的任何其他类型的电极组，或如上文所公开的所述支架电极阵列类型。例如，上文公开的所述可注射柔性网状类型电极阵列可以用于所述DLPFC中的感测。此外，这样的可注射柔性网状类型电极阵列既可以用于刺激又可以用于感测，它们可用于***配置中，其中这种网状类型电极阵列既可以用于所述DLPFC中的感测又可以用于所述DLPFC中的刺激。在下文中更详细地描述了这些实施例。
所述刺激电极组12D适当地耦合到所述纹状体41并且可以设置在所述纹状体41内。所述刺激电极组12D可用于刺激所述纹状体41或所述纹状体的任何部分或多个部分。例如，刺激可以通过所述刺激电极组12D递送到所述尾状核或所述壳核或所述尾状核及所述壳核两者。所述刺激可以在所述纹状体或其部分内的一单个位置或多个位置处递送，或者在源自或传播两个中枢多巴胺能通路中的一个的相邻区域中递送。其他可能被刺激的区域包括所述黑质、所述伏隔核及所述背侧纹状体。通常，在所述中脑皮质黑质纹状体内的所述边缘结构的部分、结节漏斗及中脑边缘***的区域也可以被刺激以在认知表现上实现增强/提高/改善。
所述纹状体41的刺激也称为一深层脑部结构的刺激，因为纹状体是设置在所述脑部内相对深的一皮质下区域。应当注意的是，术语一深层脑部结构的刺激也用于指设置在所述皮质下方或内部的任何其他脑部结构和/或脑部区域的刺激。例如，所述感测电极组12C可以是任何类型的穿透多电极阵列，其能够被植入一深层脑部结构中，如本领域中已知并且如上文关于电极组类型所公开的。应当注意的是，所述刺激电极组12D还可以是如上文所公开的能够在深层脑部结构内执行神经元或神经元群体活动的刺激(和/或感测)的任何类型的电极组。这样的电极组可以包括，例如，用于植入深层脑部结构的可植入可注射的折叠网状电极阵列，或所述支架电极阵列类型，其可以通过所述脉管******所述相关的深层脑部结构附近或内部的一血管中，如上所述。
在所述***30的操作中，所述处理器/控制器14可以处在所述DLPFC 39中通过所述感测电极组12C所感测到的所述多个信号，以检测指示一认知任务的活动模式，所述认知任务需要学习、专心和/或注意力集中，以及维持注意力、使用工作记忆或上文详细公开的任何其他类型的认知任务。
一旦检测到这样的一种模式(或多种模式)，所述处理器/控制器14(及其上运行的任何软件程序)可以控制一刺激信号的定时施加或者传递到所述纹状体41(或如下文图4及图5中所示的任何其他深层脑部结构)的一定时时空刺激模式的施加。所述纹状体41的刺激可能导致所述VTA区域的激活，并且它的多巴胺***可以投射到所述神经***的许多区域(包括所述PFC及DLPFC)，这可能导致改善和/或提高和/或增强和/或调制所述维持注意力的认知表现、集中注意力，甚至增加执行可能会反过来导致更好或增加(增强)认知表现的所述任务的动力，所述认知表现可以包括改善的工作记忆表现、提高及更集中的注意力、增加的学习及记忆表现上限、在执行认知任务中更快的用户响应，以及其他类型的认知增强或提高。应当注意的是，本申请中使用的术语“调制”还可以包括减少某些认知功能，因为它还可以指某些类型的刺激的选择性“阻挡”或衰减，从而分散或吸引用户集中于一特定任务的注意力。因此，术语调制也可以被解释为或可以意味着选择性的“减少认知表现”以及“增加或增加认知表现”。
对所述纹状体，其响应于与准备执行多个认知任务相关的特定活动模式或给所述用户这样的多个认知任务的呈现，例如一关联记忆任务、一记忆任务、一比较任务或任何其他要求严格的认知任务，施加刺激优选地是自动的，因为这种刺激施加的时机(和/或时空特征)对于确保影响或提高所述用户的所述认知表现是重要的。然而，当预期在一特定时间内需要提高认知表现时，有可能在一特定频率模式及一特定刺激强度下自愿使用一特定程度的刺激，这可以导致更多神经递质被释放到中脑边缘(或其他)多巴胺能通路，以提高注意力维持的通常水平(如果需要，关于能够自愿控制这种刺激的一***的一具体示例，请参见图5)。
应当理解的是，虽然所述***30被实现为一有线***，其中所述***的各种组件可以通过电线连接到所述***30的其他组件，但这不是强制性的，并且所述***30或本文公开的任何***的一些或所有组件可以无线连接到其他组件。
现在请参照图4，其是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***的一无线实施例，所述***包括一个或多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)的神经元活动，并且用于电性地刺激一个或多个，尤其是与学习、记忆及注意力调节相关的，深层脑部构造。
所述***40可以包括所述处理器/控制器14，其还可以(可选地)适当地耦合或连接到所述存储器/数据存储装置16，如上文详细公开的。所述处理器/控制器14适当地连接或耦合到一无线收发器(TX1)31，用于与所述***40的其他组件无线地通信。所述处理器/控制器14还可以(可选地)通过一合适的无线收发器33(TX3)适当地无线耦合或连接到所述(可选的)辅助传感器18。所述处理器/控制器14还可以(可选地)通过一合适的无线收发器34(TX4)适当地无线耦合或连接到所述(可选的)效应器装置15。所述***40还可以包括如上文详细公开的所述刺激电极组12A，其能够通过连接到所述刺激电极组12A的一收发器35(TX5)与所述收发器31无线地通信，用于发送信号给所述处理器/控制器14和/或从所述处理器/控制器14接收信号。所述***40还可以包括如上文详细公开的所述刺激电极组12D，其能够通过连接到所述刺激电极组12D的一收发器32(TX2)与所述收发器31无线地通信，用于发送信号给所述处理器/控制器14和/或从所述处理器/控制器14接收信号。
所述刺激电极组12D设置并且配置成用以传递刺激到一个或多个深层脑部结构。这样的深层脑部结构可包括但不限于所述纹状体、所述尾状核、所述壳核、所述伏隔核、所述蓝斑、所述海马、所述杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习和/或记忆和/或注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域及其任何组合。
根据本申请的所述***的其他实施例，所述刺激电极组12D可以替代地或另外地传递刺激给其他(一个或多个)深层脑部结构，例如下丘脑结构或核、丘脑结构或核，以及丘脑下结构或核。这样的刺激可以被传递来代替或补充所述纹状体和/或丘脑/下丘脑/丘脑下结构的刺激。
所述刺激电极组12A适当地耦合到所述背外侧前额皮质39并且设置在所述DLPFC表面附近或所述DLPFC 39内(取决于被用来实现所述刺激电极组12A的电极组的类型)。所述刺激电极组12A可以用于感测与在所述DLPFC 39中的神经元活动相关的多个信号。例如，所述刺激电极组12A可以是设置在所述DLPFC 39的所述表面上的一柔性平面电极阵列，用于感测/记录表示所述DLPFC中的神经元活动的一脑皮层电图(Ecog)39，如本领域所熟知和上文所公开。然而，所述刺激电极组12A也可以是如上文所公开的用于执行表面感测、或用于植入DLPFC 39内的任何其他类型的电极组，或如上文所公开的所述支架电极阵列类型。
所述刺激电极组12D适当地耦合到如上文所公开的一个或多个深层脑部结构37，并且可以设置在一个或多个深层脑部结构内或附近，这取决于所使用的刺激电极组12D的类型。所述刺激电极组12D可以用于刺激深层脑部结构。所述深层脑部结构37的刺激也称为深层脑部结构的刺激，因为所述深层脑部结构37是相对较深地设置于所述脑部内的皮质下区域。应当注意的是，术语深层脑部结构的刺激也用于指任何其他脑部结构和/或脑部区域的刺激，所述脑部结构和/或脑部区域设置在所述皮质下方或内部和/或所述脑部深处。例如，所述刺激电极组12D可以是任何类型的穿透多电极阵列，其能够植入如上文所公开的一深层脑部结构中。应当注意的是，所述刺激电极组12D还可以是如上文所公开的能够在多个深层脑部结构内执行神经元或神经元群体活动的刺激(和/或感测)的任何类型的电极组。这样的电极组可以包括，例如，用于植入深层脑部结构的可植入可注射的折叠网状电极阵列，或所述支架电极(以下也称为”支架电极”)或支架电极阵列类型，其可以通过所述脉管******所述相关的深层脑部结构附近或内部的一血管中，如上所述。
在所述***40的操作中，所述***40可以与所述***30的操作类似地操作，除了将被所述刺激电极组12A感测到的所述多个信号无线地通信到所述处理器/控制器14、给所述刺激电极组12D的所述多个刺激信号或多个刺激命令从所述处理器/控制器14无线地通信到所述刺激电极组12D，以及所述辅助传感器18、所述效应器装置15与所述处理器/控制器14之间的通信可以无线地执行之外。应当注意的是，所述刺激电极组12D可以(如果需要，取决于所述无线通信能力)包括接收及解释来自所述处理器/控制器14的多个刺激命令的所有必要电路，并且还可以包括一内置电源，用于为传递所述刺激供电。
应当理解的是，所述刺激不仅可以传递到所述纹状体(或所述纹状体的一个或多个部分)，如上文关于图3的所述***30所公开，也可以传递给任何数量的深层脑部区域，其可能有助于提高或改善上述公开的认知提高或认知改善。
现在请参照图5，其是根据本申请的所述***的增强/提高认知***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一***，所述***包括多个电极组用于感测在所述背外侧前额皮质(DLPFC)皮质区域及(可选地)在其皮质区域中的神经元活动，并且用于电性地刺激一个或多个，尤其是与学习、记忆及注意力调节相关的，深层脑部构造。
所述***50可以包括所述处理器/控制器14、所述存储器/数据存储装置16、所述辅助传感器18、所述效应器装置15、所述刺激电极组12A、所述刺激电极组12D，如上文在图1至3中所公开的那样连接。
所述***50还可以包括一感测电极组12C，其适当地连接到所述处理器/控制器14。所述感测电极组12C可以用于所述纹状体41的刺激，如上文关于图4详细公开。所述刺激电极组12D可以用于传递刺激给所述海马43、所述伏隔核45及所述杏仁核47。每一个可以被所述刺激电极组12D刺激的所述深层脑部结构可以根据一个或多个选择的时空模式来执行，这些时空模式是凭经验发现的，以增强上文详细公开的任何认知任务的性能。
所述刺激电极组12A可以感测与在所述DLPFC 39及所述运动(和/或前运动)皮质23A两者中的神经元活动相关的多个信号，其类似于关于图2公开的所述刺激电极组12A的操作。所述刺激电极组12A也可用于刺激所述初级视觉皮质21，如关于图2的所述***20所详细公开。
在一些实施例中，所述***可以包括一(可选的)遥测单元17，用于与一外部遥测单元19无线地通信。所述遥测单元17可以与所述处理器/控制器14双向地通信，并且可以用于将来自所述存储器/数据存储器16和/或来自所述处理器/控制器14的数据无线地通信到所述外部遥测单元19，以进一步处理，进一步存储及显示所述数据。所述外部遥测单元19还可以用于无线地发送信号给所述处理器/控制器14，用于控制其操作和/或用于重新编程操作所述控制器处理器14的软件。例如，当所述处理器/控制器14、所述电极组12A、12B及12C、所述存储器/存储器16、所述辅助传感器18及所述效应器装置中的一些或全部是颅内植入时，所述遥测单元17可以颅内设置用于与一外部遥测单元19无线地通信，如上所述。所述***50可以操作以增强和/或改善所述认知任务的表现，如上文详细公开的那样，以及操作以控制一般或特定计算任务的表现，如上所述的。例如，通过与一虚拟GUI交互，所述虚拟GUI被所述用户感知作为所述初级视觉皮质21(和/或所述视觉皮质的其他部分)的刺激，所述用户可以，通过所述感测电极组12C和/或所述刺激电极组12D，根据需要自愿地激活或停用，控制在所述DLPFC 39中的感测的软件程序的操作，和/或控制所述纹状体41和/或所述海马43、所述伏隔核45及所述杏仁核47的刺激的程序。所述用户还可以控制每一个所述深层脑部结构的所述刺激强度，所述深层脑部结构被刺激用于在需要时改变和/或调制对所述认知表现的所述刺激的增强效果。
使用多种类型的刺激电极组或其他刺激装置用于刺激所述纹状体以及刺激其他深层脑部结构的方法及装置是本领域熟知的。例如，以下出版物尤其公开了用于进行深层脑部结构刺激的这些方法及装置，在以下出版物中详细公开，所述出版物通过引用整体并入本文：
1.Husam A.Katnani,Shaun R.Patel,Churl-Su Kwon,Samer Abdel-Aziz,JohnT.Gale&Emad N.Eskander."Temporally Coordinated Deep Brain Stimulation in theDorsal and Ventral Striatum Synergistically Enhances Associative Learning.",Scientific Reports 6,Nature,Article number:18806(2016).
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用于感测在各种皮质区域中的电皮质活动的方法及装置也是本领域公知的，例如但不限于上文引用的参考文献。本领域已知的和本文引用的参考文献中描述的这些方法及电极组装置中的任一个可以用于感测/记录在所述DLPFC中的神经元活动。例如，Tian MingFu等人(Nature methods,2016)所公开的所述可注射柔性网状电极可以通过在所述DLPFC中植入这种网状电子器件来使用。另一种方法可以使用较少侵入性的平面柔性表面电极阵列。其他***及方法可以使用如上所述的支架电极阵列(多个支架电极)。
现在参照图6，其是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的一颅内***，其设置在所述用户的颅内。所述***60被示出为颅内地设置在一用户的所述头部61内。所述颅骨的一部分在所述示意图中是“透明的，以示出所述用户的所述脑部62，其示意性地示出了包括所述左皮质半球65L及所述右皮质半球65R的所述皮质65。所述纹状体(纹状体)63以一虚线示意性地示出，以指示所述纹状体是位于所述皮层65下方的一皮质下脑部区域(一深层脑部结构)。所述***60包括一电子电路模块67、通过一通信线75C适当地电连接到所述电子电路模块67的一感测电极组72C，及通过一通信线77C适当地电连接到所述电子电路模块67的一刺激电极组72D。
所述***60的所述多个部件通过进行开颅手术(包括但不限于手动开颅手术方法、立体定向开颅手术方法、自动机器人立体定向开颅手术、或本领域已知的任何其他类型的合适开颅手术方法)通过在所述颅骨中形成的一进入开口(为了清楚起见，未示出所述开口)而***所述脑部62上方的所述颅内空间中。在将所述***60的所述多个部件***所述颅内空间之后，所述颅骨中的开口可以如本领域中已知的那样密封。
所述感测电极组72C可以是一薄的柔性表面电极阵列，其适于感测和/或记录一Ecog(并且可以硬膜外或在硬脑膜下方与所述皮质表面接触)。所述感测电极组72C可用于感测和/或记录一Ecog，所述Ecog来自所述左侧皮质半球65L的所述DLPFC或来自所述右侧皮质半球65R的所述DLPFC或来自所述右侧皮质半球65R及所述左侧皮质半球65L的所述DLPFC(尤其取决于所述感测电极组72C的总面积及位置)。
应当注意的是，使用Ecog电极阵列感测Ecog信号可以使用标准Ecog感测方法来执行。例如，阵列中的一个电极可以用作一参考电极。或者，面向颅骨的一电极可用作一参考电极。或者，植入的一特殊电极可以用作参考电极。
根据所述***60的一些实施例，所述感测电极组72C用于从一个(左侧或右侧)DLPFC或从所述DLPFC的一片段或一部分感测和/或记录一Ecog。根据所述***60的一些实施例，所述感测电极组72C可用于从所述左侧DLPFC及所述右侧DLPFC感测和/或记录一Ecog(或从所述左侧DLPFC及所述右侧DLPFC的每一个的一片段或一部分)。
根据所述***60的一些实施例，所述感测电极组72C可以足够大以从所述右侧和/或所述左侧DLPFC以及除所述DLPFC之外的一个或多个皮质区域感测和/或记录一Ecog(包括但不限于，所述初级视觉皮质、所述视觉皮质的其他区域、所述体感皮质、所述听觉皮质、所述运动皮质、布罗德曼区(BA)17(大致对应于初级视觉皮质-V1)、BA 18(大致对应于次级视觉皮质-V2)、BA 19(大致对应于关联视觉皮质-V3、V4及V5)、BA 7(视觉运动协调区域)、BA 6(前运动皮质及辅助运动皮质区域)、BA 5(体感联络皮质)及BA 4(主要运动皮质))。
优选地，所述感测电极组72C可以是分别具有数百至数千个感测电极的一中到高分辨率多电极阵列，但是也可以使用具有较少数量电极的电极组/阵列(在每BCI 50-150个电极的范围内)。所述通信线75C可以在其中具有多个电隔离的导电线(未示出)连接所述感测电极组72C的每个电极到所述电子电路模块67。然而，如本领域中已知的，电极多路复用方法也可以用在所述***的一些实施例中，以允许多个电极通过相同的导电线周期性地采样，以减少所述通信线75C内所需的导线数量。
所述刺激电极组72D可以是能够植入一深层脑部结构内的任何类型的刺激电极组。例如，图6的所述***60的所述刺激电极组72D可以是一细长的薄的柔性导电电极束(例如，一束电隔离的钨电极，其具有在电极束的尖端处以交错排列布置的暴露的导电尖端)。通过穿过所述通信线77D的一单个隔离的导电线，束中的每一个电极(未示出)可以适当地电连接到所述电子电路模块67。所述刺激电极组72D的尖端可以通过外科手术植入所述纹状体63(例如，但不限于，所述尾状核、所述壳核、所述背侧纹状体、所述腹侧纹状体或其任何组合)的一个区域(或多个区域)内，这是本领域公知的。可用于植入所述刺激电极组72D的方法可以包括，但不限于，手动或半手动立体定向电极植入方法、自动机器人立体定向电极植入方法或本领域已知的任何其他类型的合适电极方法。
然而，应当注意的是，所述刺激电极组72D(以及所述感测电极组72C)也可以实施为其他不同类型的电极组。例如，根据本申请的***的一些实施例，所述电极组72C和/或72D可以是Lieber等人在以下参考文献中详细公开的一柔性可注射网状电极阵列：
1.Chong Xie,Jia Liu,Tian-Ming Fu,Xiaochuan Dai,Wei Zhou&CharlesM.Lieber.,"Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally侵入性brain probes.",Nature Materials,Vol.14,December 2015,Pp.1286-1292.
2.Guosong Hong,Tian-Ming Fu,Tao Zhou,Thomas G.Schuhmann,JinlinHuang,&Charles M.Lieber."Syringe Injectable Electronics:Precise TargetedDelivery with Quantitative Input/Output Connectivity",Nano Letters,Vol.15,August 2015,Pp.6979-6984.DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02987.,and
3.Jia Liu,Tian-Ming Fu,Zengguang Cheng,Guosong Hong,Tao Zhou,LihuaJin,Madhavi Duvvuri,Zhe Jiang,Peter Kruskal,Chong Xie,Zhigang Suo,Ying Fang&Charles M.Lieber."Syringe-injectable electronics.",Nature Nanotechnology,Vol.10,July 2015,Pp.629-636.DOI:10.1038/NNANO.2015.115.
根据一些实施例，所述刺激电极组72D可以是植入一血管内的一支架电极或一支架电极阵列，所述血管是所述纹状体63内的所述脉管***的一部分，如上文Oxley等人(Nature biotechnology,Vol.34,No.3,February 2016).详细公开的。
所述电子电路模块67可以包括(图3的)所述处理器/控制器14及(图3的)所述存储器/数据存储器16，所述所述存储器/数据存储器16可以连接到所述处理器/控制器14，如上文在图3中详细公开的那样。由于所述电子电路模块67是颅内植入的，它还可以包括一电源(为了清楚起见，图6中未详细示出)。包括在所述电子电路模块67中的所述电源可以是本领域中已知的任何合适的微型电源。然而，优选地(但不是强制性地)，所述电源可以是一无线电力收集设备，其可以接收及存储从设置在所述用户的身体外部或身体上的一电力发送设备(未示出)所发送到其的电力。
这种无线电力发送及接收***在本领域中是公知的，不是本申请的主题，因此在下文中不再详细公开。简而言之，这种***可包括基于压电材料的接收器，其耦合到合适的电流整流电路和电存储装置(电容器、超级电容器、可再充电电化学电池等)。这样的电力接收器可以从身体外部的超声发射器获取传输到其的超声能量，将超声能量转换成电流并将电能存储在上述电能存储装置中。在其他示例中，可以包括基于电磁辐射的***，其包括耦合到电流整流电路的收集导电线圈，所述电流整流电路馈送如上文所公开的电能存储装置。外部发射器是电磁辐射的发生器，其通过感应传输接收器线圈所需的电磁辐射(通常通过另一个线圈，在用户的身体外部)。
在操作中，所述感测电极组72C感测与在所述DLPFC内的神经元的电活动相关的电活动(不论是所述左侧DFPLC或右侧DFPLC或所述左侧及右侧DFPLC)。如果所述感测电极组72C是一Ecog电极阵列，则所述感测到的电活动可以是一Ecog。如果所述感测电极组72C，是一犹他阵列型电极阵列或一网状电极阵列，所述感测到的电活动可以包括来自个体神经元的细胞外感测的场电势或由来自多个神经元的细胞外记录的动作电位的总和(叠加)以及细胞外感知的电活动(来自神经元轴突，树突和体细胞)产生的场电势。所述感测到的信号被馈送到所述电子电路模块67。
所述电子电路模块67可以处理被所述感测电极组72C所述感测到的多个电信号，以检测与认知任务的表现(例需要注意力集中和/或维持注意力、和/或学习、和/或激活工作记忆(WM)的任务，和/或本申请中详细公开的任何其他复杂认知任务)相关的电活动的特定时空模式。这种特定的时空电活动模式可以在这样的一认知任务的实际执行之前和/或可以与所述用户的意图相关以执行所述认知任务或向所述用户呈现这样的认知任务。
如果所述***60检测到一特定模式，所述电子电路模块67，通过所述刺激电极组72D的电极向所述纹状体63施加合适的刺激电流脉冲，传递刺激给所述纹状体63或所述纹状体63的一个或几个部分。传递到所述纹状体63的刺激可以相对于与所述认知任务的表现相关的电活动的所述特定时空模式的检测的时间来精确地定时。
响应于所述检测到的模式的所述纹状体63的所述刺激导致所述VTA的定时激活及释放多巴胺的多个深层脑部结构，所述巴胺可以加强相关神经元之间的连接，所述相关神经元在学习新认知任务的过程期间被强化。这种定时刺激可以导致注意力集中及注意力维持的增强(改善)，增强(或改善)学习速度及记忆表现。
现在参照图7，其是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意图，其示出用于增强或提高或改善一用户的认知表现的***，其具有一些设置在所述用户的所述颅骨内的***组件及设置在所述用户的所述颅骨外部的所述***的一些其他组件。
所述***80可以包括所述感测电极组72C及所述刺激电极组72D，其可以如上文关于图6详细公开的那样构造和操作。然而，与所述***60相比，所述***80的所述通信线75C及所述通信线77C穿过一合适的颅连接器82并且通过所述连接器82中的一开口穿出，以在一颅外通信电缆84内穿出所述颅骨。所述颅外通信电缆84延伸到一颅外电子模块87。所述颅外电子模块87可以包括一合适的处理器/控制器、一存储器及数据存储单元、一(可选的)无线发射器和/或无线接收器和/或无线收发器，以及一合适的电源用于通电可以设置在所述电子模块87的一壳体87A内的全部包括电路。为清楚起见，图7中未详细示出所述处理器/控制器、所述存储器/数据存储器、任何发射器、接收器和/或收发器以及可包括在所述壳体87A中的所述电源，但是可以类似于上文详细公开的所述处理器/控制器67、所述存储器/数据存储器16以及所述发射器/收发器TX1-TX5及所述电源3。
在其中的一些部件对于颅内植入可能太大或笨重的情况下，所述电子模块87可能是方便的。所述电子模块87还可以使一相对大的电源包括在所述电子模块内(例如一可更换的主要电化学电池、一可再充电(次要)电化学电池或任何其它合适的电源)。
所述***80的优点在于，由于对组件微型化的不太严格的要求以及容纳额外颅部件的更多空间的可用性，它们更容易实施且成本更低。
应当注意的是，虽然所述电子模块87的所述壳体87A可以成形为类似于一微型助听器并且佩戴在耳朵69后面以最小化可见度，这不是强制性的，并且所述壳体87A的其他类型及形状也可以被使用，其可以由所述用户通过附接到其他身体部位或附接到所述用户穿着的衣服来携带。例如，所述电子模块的所述外壳可以成形为像所述用户佩戴的眼镜，或者附着到所述用户佩戴的一合适的头带上。
现在请参照图8，其是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意流程图，其示出用于训练和/或校准用于增强或提高或改善用户的认知表现的一***的一方法的步骤。
通常，在植入/安装本申请中公开的任何智能提高***之后，可以在一正常人或一患者上执行所述训练方法。在所述处理器/控制器14上操作的所述软件程序可以包括一训练模块或子程序，其可以通过使用任何合适的用户界面(例如，通过所述***外部任何类型的计算机的任何类型的GUI并与所述处理器/控制器14通信，或通过直接刺激所述视觉皮质的一个或多个区域来呈现给所述用户的一“虚拟”图形用户界面，如上文关于图2所公开)来激活/启动。
在所述训练方法的操作中，所述***向所述用户呈现一认知任务(步骤100)。所述认知任务可以是任何需要用户注意力集中的认知任务，例如，学习任务、记忆任务、与视觉或音频辨别相关的任务、或者如上文详细公开的任何其他合适类型的认知任务。在所述任务的所述呈现之前、期间及之后，所述***可以记录来自所述用户的一个或多个皮质区域(例如，来自前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分、顶叶小叶或这些区域的任何组合)与神经元活动相关的信号，所述神经元活动与与呈现给所述用户的所述认知认知任务的呈现相关的多个信号(步骤102)。在步骤102中，所述***还可以在所述任务的呈现之前记录与神经元活动相关的多个信号，以便在所述缺少一认知任务的情况下研究背景神经元活动的所述特征。
然后，所述***可以检查在所述训练项目中呈现给所述用户的所述认知任务的数量是否为N(步骤104)，其中N可以被一用户设定、或医师设定、或预编程的正整数。如果呈现给所述用户的所述认知任务的数量不是N，则所述***控制返回到步骤100，用于呈现下一个认知任务给所述用户。如果呈现给所述用户的所述认知任务的数量是N，则所述***终止多个认知任务的呈现并且处理为所有N个任务呈现记录的所述多个信号(步骤106)。在步骤106中，所述***可以确定或计算表示与所述用户执行一认知任务的意图相关的一神经元活动模式的一模板和/或表示与所述认知任务的呈现相关和/或与所述认知任务的实际执行相关的一神经元活动模式的一模板。
使用N次重复的类似(但不一定相同)认知任务允许基于多个记录的信号提取一典型模板或指示(决策标准)，所述多个记录的信号可以被所述***用来作为一指示，用于识别何时将需要集中注意力或提高所述用户的注意力范围的一认知任务呈现给所述用户。
应当注意的是，已知许多计算方法及算法用于从呈现给一实验动物或一人类患者或一测试人类受试者的认知事件期间及之后记录的与神经元活动相关的多个信号中提取一典型模板。这样的方法可以包括，例如，核分析、主成分分析、谱分析方法(特别适用于分析Ecog类型信号)、通用空间模式方法(CSP)、分析CSP(ACSP)、时域分析方法、频域分析方法、监督模式分类、群集寻求方法、似然函数及统计决策，以及任何其他合适的模式检测方法/算法。
例如，这种模板模式检测可以如本文引用的任何所述参考文献中所述进行。
然后，可以在步骤106中确定的典型或代表性模式或模板或指示或决定标准存储在所述***的所述存储器/数据存储器16中，以被所述***在所述事件识别中后续使用，所述事件识别需要通过所述***传递刺激给多个深层脑部结构，以实现智力增强或智力提高。
现在请参照图9，其是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性流程图，其示出用于增强或提高或改善用户的认知表现的一***的一方法的步骤。所述方法可以用于提高和/或增强智力，并且用于增强或提高一正常用户的认知表现和/或用于改善由于心理和/或神经心理学和/或神经障碍而患有认知障碍的患者的所述认知表现。
可以使用上文公开的任何所述***来执行所述方法。所述***感测与在所述用户或患者的一个或多个皮质区域(例如，前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、所述颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、所述下额回(IFG)、所述IFG的一部分、所述颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分或这些区域的任何组合)的神经元活动相关的多个信号(步骤108)。所述感测可以实时或准实时地执行，例如，通过连续数字化从所述PFC记录的所述电极组(例如，分别为图2及图3的所述感测电极组12C或所述刺激电极组12A)接收的所述多个信号。
所述***处理用于检测一神经元活动模式的所述多个感测到的信号，其是所述用户的一意图的一指示以执行一认知任务和/或与所述用户的一认知任务的执行有关(步骤110)。用于检测一神经元活动模式的许多类型的方法和/或算法可以用在处理所述多个感测到的信号的步骤中。示例性检测方法可以包括，但不限于核分析、主成分分析、谱分析方法(特别适用于分析Ecog类型信号)、相位滞后分析、通用空间模式方法(CSP)、分析CSP(ACSP)、时域分析方法、频域分析方法、监督模式分类、群集寻求方法、似然函数及统计决策，以及任何其他合适的模式检测方法/算法。
对于步骤110的检测，所述模式检测方法可以使用在由所述用户执行在一个或多个训练项目中所获得的一用户特定模式(模板)或指示或决策标准，如上文详细描述的，用于图8的所述方法。由所述***训练项目产生的所述模板或指示或决定标准可以存储在所述***的所述存储器/数据存储器中(例如，所述存储器/数据存储单元16)。所述检测可以通过用于模式识别的任何合适的方法来执行，或者通过执行一测量的或计算的参数值与一经验确定的参数阈值的比较来执行。检测方法可以包括但不限于数字或模拟模板匹配方法，或比较一判定标准的值(例如一阈值)与一计算参数的一当前值的计算，所述计算参数尤其是取决于，包含在所述处理器/控制器14中的所述电路类型(数字、模拟或混合/数字/模拟电路)、所述处理器/控制器14可用的计算速度(计算能力)和其他考虑因素。
响应于与执行一认知任务的一意图和/或实际执行一认知任务相关的一神经元活动模式的所述检测，所述***刺激所述用户的一个或多个目标脑部区域，以增强或提高或改善所述用户的所述认知表现(步骤112)。所述多个目标脑部区域可以包括一个或多个深层脑部结构或一个或多个皮质区域或一个或多个深层脑部结构及一个或多个皮质区域的组合。
在步骤112中刺激传递到的所述深层脑部结构可以是所述用户的所述纹状体(所述纹状体)并且所述刺激可以通过植入(如果使用植入的刺激电极)、或接近所述VTA或所述纹状体(和/或由所述***刺激的任何其他深层脑部结构)的所述多个电极来传递。这种刺激电极的实例可以包括但不限于，图3的所述感测电极组12C、图4的所述刺激电极组12D、图5的所述刺激电极组12A、图6至图7的所述电极组72D，或能够刺激多个深层脑部结构和/或多个皮质区域的任何其它合适的电极组。
所述深层脑部结构的所述刺激可以优选地是通过传递合适的电流脉冲给被刺激的所述深层脑部结构来执行的电刺激。然而，也可以使用其他刺激方法，例如光子刺激(使用光遗传学方法)、经颅频率干扰刺激(TFI)方法(如上文引用的Nir Grossman等人的所述文章所公开的)或者通过一颅内频率干扰刺激(IFI)或可以应用于一深层脑部结构的任何其他类型的合适的神经元组织刺激方法。所述皮质区域的刺激(如果被刺激)可以通过使用所述多个感测电极来执行(例如一Ecog阵列或一犹他阵列或用于在所述皮质区域中进行感测的任何其他类型的电极组)。
在所述方法中，可以连续地执行所述感测步骤(步骤108)及处理步骤(步骤110)，具有连续感测的所述方法的这些实施例可以所述***中使用，其中所述刺激伪像可以通过适当的信号调节方法充分衰减，例如高通滤波、低通滤波或带通滤波或通过在所述数字化感测信号的处理期间执行的适当计算方法(这种计算方法可以确定经验确定的刺激伪像参数，其可以通过测试或***训练项目来为每个个体用户确定，所述测试或***训练项目在所述用户的一静止状态下使用传递到所述多个目标脑部区域的实际刺激。
根据所述方法的一些实施例，所述刺激步骤(步骤112)可以响应于检测一神经元活动模式或指示，所述神经元活动模式或指示与意图执行一认知任务和/或这样的一认知任务的执行有关。在本文公开的所述方法的一些实施例中，所述感测也不是连续执行，而是在所述目标脑部区域的所述刺激期间停止，以避免刺激像干扰所述感测信号，在这样的实施例中，在所述多个目标脑部区域的所述刺激终止之后，继续所述感测。
根据所述方法的其他实施例，所述刺激步骤(步骤112)可以在所述用户的控制下，使得所述用户可以自愿地禁用或启用所述刺激步骤(步骤112)。例如，如果所述***的一用户遇到他或她可能需要执行多个认知任务的情况，则所述用户可以启用所述刺激步骤(步骤112)，以提高他/她的认知表现。如果所述用户处于不需要提高认知表现的时段(例如，休息、睡眠、锻炼或其他活动)，则所述用户可以禁用所述刺激步骤。这种禁用或启用所述刺激步骤可以通过使用任何用户界面来执行，并且还可以由所述用户自愿地使用一用户界面的一感知虚拟图像来执行，如上文关于图2及图5的***的详细公开。
类似地，对于安装所述***以治疗认知障碍或功能障碍的患者(例如，ADD患者)，医师或其他护理人员可以在必要时禁用(及启用)所述方法的所述刺激步骤(例如，当与所述***及所述用户执行一训练项目时，如上文关于图8详细公开的那样)。这种类型的所述刺激的启用/禁用可以被执行，例如，通过使用显示在一外部计算机的一合适的GUI，所述外部计算机与所述***的所述控制器/处理器14通信。
现在请参照图10，其是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有一单个感测及刺激电极组的一***。
所述***120包括所述处理器/控制器14、所述电源3、所述存储器/数据存储单元16，它们如上文关于图1的所述***10详细公开的那样互连。所述***120还包括一感测与刺激电极组12E，其可用于感测所述DLPFC 39中的电活动及用于刺激所述DLPFC 39。所述感测与刺激电极组12E可以实施为一单个可植入Ecog电极阵列，其设置在所述DLPFC的所述表面上。所述DLPFC 39中的所述感测是使用在Ecog阵列领域中已知的标准传感和/或记录方法来执行。刺激所述DLPFC 39可以通过经由所述Ecog电极阵列的所述多个电极中的一个或多个电极传递刺激电流脉冲或脉冲序列来执行。被要求用来传递刺激电流给所述Ecog阵列的所述多个电极的所述电子/电性电路(例如，刺激产生电路、电极多路复用电路、定时电路及任何其他所需电路)为了清楚说明，未详细示出，并且包括在所述处理器/控制器14的所述控制器电路中。
当所述***120用于增强和/或提高和/或改善一用户的认知表现时，所述所述电极组12E可以用于感测在所述DLPFC中的电活动，处理所述数据如在本申请中公开的任何所述方法中公开(例如，图8、图9、图16及图17中所示的所述方法)，并且处理由在所述处理器/控制器14上操作的合适软件所感测到的所述多个信号，以检测一指示，其所述用户已被呈现有一认知任务或所述用户执行一认知任务的一意图。所述指示可以是在本申请中公开的任何类型的可计算指示和/或神经元活动模式。如果检测到一指示，所述处理器/控制器14可通过所述电极组12E传递电刺激给所述DLPFC(或所述DLPFC的一部分)来刺激所述DLFPC，以增强和/或提高和/或改善所述用户的所述认知表现。在一些实施例中，所述处理器/控制器可以(可选地)在刺激所述DLPFC的时间段期间停止所述感测并且在所述刺激时段完成之后更新所述感测。
现在请参照图11，其是根据本根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有感测及刺激电极组用于在两个皮质区域中感测并且用于刺激一个或多个皮质区域或一个或多个深部脑结构或一个或多个皮质区域与一个或多个深部脑结构的一组合。
所述***130类似于图10的所述***120，除了所述感测/刺激电极组12F设置在所述前额皮质(PFC)及所述颞顶皮质(TPC)上。所述电极组12F可以实施为设置在所述PFC上的一第一Ecog电极阵列及设置在所述TPC上的一第二Ecog电极阵列。所述第一Ecog电极阵列可以用于感测及刺激所述PFC，并且所述第二Ecog电极阵列可以用于感测及刺激所述TPC。
可替代地，所述电极组12F可以实施为设置在所述PFC与所述TPC上的一单个(可能更大的)Ecog电极阵列，并且能够在所述PFC及所述TPC中感测及刺激。在操作中，所述***130可以根据本文公开的任何所述方法操作(例如，图8、图9及图16至图19中所公开的任何所述方法)。所述感测可以在所述PFC与所述TPC两者中执行。所述刺激可以在所述PFC或所述TPC中执行，但也可以在所述PFC与所述TPC两者中执行，从而提高和/或增强和/或改善所述用户的所述认知表现。
应当注意的是，本申请的所述***使用的所述刺激方法不限于通过植入所述多个皮质区域的多个电极或多个电极组来刺激多个皮质区域(例如在犹他阵列中)，或通过硬膜下电极或硬膜外植入Ecog电极阵列，或通过使用DBS电极或植入被刺激的所述深层脑部结构内或附近的多个电极阵列。当然，也可以使用其他刺激方法，如下文详细公开的。
现在请参照图12至图13。图12是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***包括用于执行深层脑部构造的经颅频率干扰刺激的一组非侵入性电极及列用于感测和/或刺激一个或多个皮质区域的颅内植入的Ecog电极阵。图13是示出图12的所述***的一颅内部分的功能组件的一示意性框图。
转到图12，所述***140包括彼此无线地通信的一颅外模块141及一颅内模块135。所述颅外模块141还包括适当地耦合到存储器/数据存储装置116的一个或多个处理器/控制器114。所述颅外模块141还包括一个或多个处理器/控制器114，其适当地耦合到一存储器/数据存储装置116。所述颅外模块141还包括一电源143，用于使所述颅外模块141的所述部件通电。所述刺激产生器118适当地电连接到四个刺激电极145A、145B、147A及147B，所述四个刺激电极145A、145B、147A及147B在四个不同位置处附接到所述用户的所述头部4的所述皮肤的所述表面。所述刺激电极145A、145B、147A及147B可以通过使用任何合适的导电凝胶或糊剂(例如任何EEG电极凝胶或糊剂)电耦合到所述头部4的所述皮肤的所述表面。所述刺激电极145A、145B、147A及147B分别通过多个合适的导电隔离引线139A、139B、137A及137B连接到所述刺激产生器118。可以通过所述刺激产生器118将一第一频率f的一第一刺激电流施加到一第一电极对145A及145B，并且通过所述刺激产生器118可以将一第二频率f+Δf的一第二刺激电流施加到一第二电极对147A及147B。频率f及f+Δf都在一频率范围内，所述频率范围太高而不能招募神经激发(例如f和f+Δf≥1Khz)。所述刺激产生器118适当地电连接到所述处理器/控制器114，其控制所述刺激产生器118的操作。
由于所述两个不同的振荡的所述干扰，所述电场由所述同时刺激通过所述第一电极对145A及145B与所述第二电极对147A及147B以两个不同频率产生，选择性神经元激活可以在多个深层脑部结构中实现，所述多个深层脑部结构位于所述电场之间的干扰的一限定区域中，导致在所述差频Δf处调制的显着电场包络。
这种选择性刺激方法被称为暂时干扰(TI)刺激并且在上文引用的Nir Grossman等人的所述论文中详细描述，并且在本申请中也可互换地称为非侵入性暂时干扰刺激(NTIS)。在所述用户或患者的所述头部4的所述多个电极的精确定位与所述刺激强度及频率可以确定，尤其是，通过被刺激的所述多个深层脑部结构在所述脑部中的所述位置、所述颅骨的厚度与其他物理及电气参数(不同年龄的不同用户之间可能有显着差异)，并且可以通过对每个个体用户/患者的适当测试来凭经验实验确定。
由于通过调整或改变所述刺激电极145A、145B、147A及147B的所述位置、和/或所述刺激频率及强度(振幅)参数，在NTIS中神经元募集区域的所述区域的大小及形状可以变化，如Grossman等人详细公开，通过适当改变所述神经元募集区域的所述大小、形状及位置，可以刺激一个深层脑部结构或多个深层脑部结构。
所述颅外模块141还包括适当地连接到所述处理器/控制器114的一遥测单元117，用于与所述颅内模块135双向通信。所述颅外模块141及所述颅内模块135可在其间遥测交换数据、控制信号及状态信号。
所述颅内模块135可以包括一颅内植入的电子电路模块152、两个Ecog电极阵列144及146适当地电连接到所述电子电路模块152、及一颅内感应线圈146适当地电耦合到所述电子电路模块152，用于向所述电子电路模块152提供电力，如下文更详细地公开的。所述Ecog阵列144可以优选地但不是限制地，设置在左侧及右侧皮质半球上的所述PFC上(为了清楚起见，图12中没有详细示出所述皮质半球)。所述Ecog阵列142可以设置在所述左侧皮质半球TPC上，如图12所示。
转到图13，所述电子电路模块152包括一个或多个处理器/控制器124、一电力调节及存储单元152，电耦合到所述颅内感应线圈146、一遥测单元17适当地电耦合到所述处理器/控制器124、一存储器/数据存储单元16适当地电连接到所述处理器/控制器124及一信号调节及数字化单元126电连接到所述Ecog阵列142及144，以接收来自所述Ecog阵列142及144的所述电极的多个感测到的信号。所述调理及数字化单元126还连接到所述处理器/控制器126，用于向所述处理器/控制器126提供数字化感测到的Ecog信号的数据。
所述遥测单元17可以与所述颅外模块141的所述遥测单元117双向通信，实现所述处理器/控制器114与所述处理器控制器124之间的数据、控制信号及状态信号的双向无线传输。
应当注意的是，所述电力调节及存储单元177可以包括用于调节电流的合适的电路(图12中未详细示出)，所述电流是由一颅外放置的第二感应线圈(为了清楚起见，为了清楚起见，图12-13中未示出)对所述颅内感应线圈146中感应产生，所述颅外放置的第二感应线圈放置在所述用户的所述头部的所述头皮上。在这样一颅外放置的第二感应线圈内通过的交流电流在所述颅内第一感应线圈内引起交流电流。在所述内部感应线圈146内流动的所述交流电流可以通过包括在所述电力调节及存储单元177中的合适的电流整流二极管桥电路(未示出)来整流，并且可以由任何合适的电荷存储装置(未示出)存储，例如，一超级电容器、一电容器、或包括在所述电力调节及存储单元177内的一可充电电化学电池。所述电力调节及存储单元177用于对所述电子电路模块152的任何所需电流元件通电。应当注意的是，为了清楚说明起见，在图12-13中未示出提供电力给所述电子电路模块152的所述部件的所述电连接。
在操作中，所述***140可以使用在本申请中公开的任何所述方法来调制(即，提高和/或增强和/或改善)所述用户/患者的所述认知表现。例如，所述Ecog阵列142及144可以分别感测来自所述TPC及PFC的信号，所述多个感测到的信号可以被所述信号调节及数字化单元调节(放大和/或过滤)及数字化，并且送到所述处理器/控制器124来处理(根据本申请中公开的任何所述处理方法)。如果所述处理器/控制器124检测到一指示，所述指示是已经呈现给所述用户与一认知任务或意图执行一认知任务或执行一认知任务，所述***140可以使用所述颅外模块141通过使用如上所述的所述NTIS方法，使用所述多个电极145A、145B、147A及147B以及所述刺激产生器118来刺激一个或多个深层脑部结构。然后可以使用所述颅外模块141来刺激在本申请中公开的任何多个所述深层脑部结构，以调制所述用户/患者的所述认知表现。
虽然所述***140使用用于非侵入性地刺激一个或多个深层脑部结构的NTIS及一个或多个侵入性电极组，例如所述Ecog电极阵列142及144(或其他类型的电极阵列，例如具有可穿透所述皮层的所述表面的电极的犹他电极阵列)，这个例性配置不是实施本文公开的所述方法的必须条件。虽然在NTIS中所述刺激电极的非侵入性简化了所述刺激过程，但所述用户必须被束缚于所述颅外模块141(在所述模块141是一大型静态模块的情况下)或可能必须携带(或佩戴)所述模块141(在所述模块141被实现为可由所述用户携带的一小型轻量模块的情况下)。另外，使用颅外电极来执行NTIS可能对所述用户不方便，可能是明显不美观的，并且还可能需要频繁的维护及护理，以避免无意的电极运动或所述电子耦合特性在所述颅外刺激电极对所述皮肤的不希望的变化。
现在参照图14及图15。图14是根据本申请的所述***的一些实施例的一示意性框图，其示出用于增强或提高或改善认知表现的一***，所述***具有多个颅内Ecog阵列，用于在多个皮质区域中执行感测，并且用于执行一个或多个深层脑部构造的颅内频率干扰刺激和/或用于直接刺激一个或多个皮质区域。图15是示出包括在图14的所述***中的功能组件的一示意性功能框图。
转到图14，除了设置在所述用户之外的所述外部处理器/编程单元179之外，所述***160的所有部件都是颅内设置的。所述***160包括一颅内植入的电子模块162、三个颅内植入的Ecog电极阵列164、166及168电连接到所述电子模块162、及一颅内感应线圈146电连接到所述电子模块162。所述Ecog电极阵列168可以设置在所述PFC上或所述PLC的一片段或一部分上。根据所述***160的一些实施例，所述Ecog电极阵列168可以设置在两个皮质半球的所述PFC区域上，如图14所示。可替换地，根据所述***160的其他实施例，所述Ecog电极阵列168可以设置在所述右侧皮质半球的所述PFC或其部分上。可替换地，根据所述***160的其他实施例，所述Ecog电极阵列168可以设置在所述左侧皮质半球的所述PFC或其部分上。
所述Ecog电极阵列164可以设置在所述左侧皮质半球的所述TPC上或所述左侧皮质半球的所述TPC的一部分上。所述Ecog电极阵列166可以设置在所述右侧皮质半球的所述TPC上或所述右侧皮质半球的所述TPC的一部分上。转到图15，所述***160可以包括一个或多个处理器/控制器14、一存储器/数据存储器16适当地连接到所述处理器/控制器14、一遥测单元17适当地连接到所述处理器/控制器14，用于将数据和/或控制信号无线地传输到一外部处理器/编程单元179(其设置在所述用户的身体外部)。所述***160还可以包括一电力调节及存储单元177，其适当地电连接到所述颅内感应线圈146以从其接收交流电流。所述电力调节及存储单元177的结构及操作如上文关于图13的所述电力调节及存储单元177所详细公开。
所述***160还可以包括一刺激产生模组170，其适当地连接到所述处理器/控制器14并且由其控制。所述刺激产生模组170包括一直接皮质刺激产生器172及一DBS频率干扰刺激产生器174。所述***160还可以包括一个或多个多路复用单元176。所述多路复用单元176适当地连接到所述刺激产生模组170及所述处理器/控制器14，用于控制将来自所述DBS频率干扰刺激产生器174及来自所述直接皮质刺激产生器172的所述刺激的递送到所述Ecog电极阵列164、166及168中的选定电极。
所述***160还可以包括一个或多个已感测信号调节及数字化单元126，其适当地电连接到所述Ecog传感器阵列164、166及168，用于调节从包括在所述Ecog阵列164、166及168中的所述多个电极接收的所述多个信号，如上文关于图13详细公开的那样。
所述电力调节及存储单元177可以为所述电子模块162的操作提供电力。然而，为了清楚说明，在图15中未详细示出为所述电子模块162的各种部件提供电力的连接。
所述外部处理器/编程单元179可以是能够与所述电子模块162的所述遥测单元17遥测地通信的任何合适的处理设备。所述处理设备可以是配备有遥测通信能力的一计算机(例如WiFi)或包括处理及控制以及无线通信部件的任何其他手持或便携式设备。例如，所述外部处理器/编程单元179可以是一移动或蜂窝电话设备或操作应用程序的一智能电话，所述应用程序可以与所述遥测单元17遥测地通信以控制所述电子模块162的所述操作、从所述电子模块162接收及存储数据及状态信号、并且显示这样的数据及状态信号给所述***160的所述用户(和/或使用所述***160监视所述患者或所述用户的医生或技术人员)，并且使所述用户能够发送控制信号以控制所述电子模块162的所述操作。
在操作中，然后所述***160可以被调节，可以通过使用所述Ecog电极阵列164、166及168中的一个或多个来感测来自所述用户的一个或多个皮质区域的多个电信号(例如，在所述用户的所述PFC和/或所述左侧TPC和/或所述右侧TPC中进行感测)。然后，所述感测到的信号可以被调节，例如，放大及(可选地)滤波，然后通过所述已感测信号调节及数字化单元126来数字化，并且送到所述处理器/控制器14进行处理(根据本申请中公开的任何所述处理方法)。如果所述处理器/控制器14检测到一指示，所述指示是已经呈现给所述用户与一认知任务或意图执行一认知任务或执行一认知任务，所述处理器/控制器14可以控制所述刺激产生模组170刺激一个或多个深层脑部，如以下所述。所述处理器/控制器单元14可控制所述多路复用单元176以选择所述Ecog电极阵列164的两个间隔开的电极164A与164B及，来自所述Ecog电极阵列166的两个间隔开的电极166A与166B。选择所述电极后，所述处理器/控制器14控制所述DBS频率干扰刺激产生器174以在所述电极对164A与164B之间施加一振荡频率为f的一振荡电流或电压，并且同时施加一振荡频率为f+Δf的一振荡电流或一电压信号。所述两个频率f及f+Δf可以大于或等于1KHz。这种时间干扰的刺激方法有点类似但与Nir Grossman等人的所述NTIS方法不同，如上所述，但与所述NTIS方法的不同之处在于某些方面。所述两种方法之间的第一个区别在于，NTIS使用颅外非侵入性刺激电极来实现非侵入性深部脑刺激，而本文所述的关于所述***160的其他方法使用颅内刺激电极(颅内植入Ecog电极阵列或其他颅内电极阵列)来刺激一个或多个深层脑部结构。为了清楚地区分使用本文公开的颅内刺激电极与所述NTIS方法的所述方法，我们将所述第二种方法称为颅内暂时干扰刺激(ICTIS)。
NTIS和ICTIS之间的另一个有利区别是，在NTIS中，所述多个颅外电极保持固定在所述头上的相同位置，通过简单地控制所述多路复用单元176，可以非常快速地改变所使用的所述刺激电极，来选择来自任何所述Ecog电极阵列的不同电极对作为所述刺激电极对，并且将所述两个不同的干扰振荡频率传递给任何所需的刺激电极对。这个优点可以改善对所述脑部内形成的所述神经元募集聚焦区域的大小、形状及位置的所述调制的控制。
此外，所述***160的配置允许所述刺激的附加控制，因为所述多个刺激电极可以通过使所述多个振荡刺激信号通过任何选定的间隔开的电极组的组合而几乎立即变化，通过施加具有频率f的所述刺激振荡到一对两个不同电极组，其具有所述Ecog电极阵列164阵列的任何所需电极数及电极配置，并且同时施加具有频率f+Δf的所述刺激振荡到另一对两个不同的电极组，其具有从所述Ecog电极阵列166中选择的任何所需电极数及电极配置。与具有静态固定尺寸的刺激电极对的所述NTIS方法相比，这样的在每对刺激电极内的电极分组变化方法可以允许更精细地控制所述神经元募集包络区域的参数。
而且，所述ICTIS方法的另一个优点是，所述电极组对或所述单个电极对的所述配置及位置可以在不同定位的刺激组对之间或在不同定位的单个电极对之间快速交替，允许快速交替改变所述神经元招募区域的所述位置和/或大小和/或形状，这可能导致在所述用户的所述脑部内交替刺激不同位置的多个深层脑部结构。如果需要，这种变化对于实现所述深层脑部结构的更精细的时间控制也是有用的(这意味着在上述公开的所述指示的所述检测之后的不同时间可以刺激不同的深层脑部结构。
所述***160的另一个特征是它不仅可以允许通过NTIS或通过ICTIS对多个深层脑部结构的刺激，而且还可以通过直接施加多个刺激信号(例如，脉冲或刺激脉冲序列)到任何选定的电极(或电极对或电极组)来允许对一些皮质区域的选定区域的刺激。例如，所述处理器/控制器14可以控制所述多路复用单元176及所述直接皮质刺激产生器172通过所述Ecog电极阵列164及166的所述电极传递直接刺激给所述TPC或其任何部分，和/或通过所述Ecog电极阵列168的所述电极传递直接刺激给所述PFC或其任何部分，或给所述PFC及TPC或其部分的任何选定组合。
此外，通过使用合适的多路复用控制，可以执行几种类型的刺激方案，包括，例如，同时刺激一个或多个深层脑部结构及一个或多个皮质区域、同时刺激一个或多个皮质区域(例如，所述PFC及TPC)、刺激一单个深层脑部结构(ICTIS)、经由所述多个Ecog电极阵列164、166及168中选定的一个通过直接刺激来刺激一单个皮质区域或其一部分。这种刺激方案/方法的任何组合及置换可以被执行。
使用所述BCI***的具体示例性方法
现在参照图16至图19，其是根据本申请的所述方法的一些实施例的一示意性流程图，其示出用于增强或提高或改善用户的认知表现的四种不同示例性方法的步骤。
应当注意的是，这些示例性方法可以由在上文公开的所述各种***的任何所述处理器/控制器上操作的合适软件程序来执行。
转到图16，所述方法包括在所述用户的一个或多个皮质区域中感测Ecog信号的步骤(步骤200)。所述感测到的信号可以记录和/或存储(以数字化形式)在所述***的所述存储器/数据存储单元中(例如，在上文公开的所述存储器/数据存储器16或16)。然后，所述方法可以通过对所述数据执行傅立叶变换(FT)(例如快速傅立叶变换算法)来处理所述感测到的数字化信号或所述存储的数据，以计算所述感测到的信号的所述数字化数据的功率频谱(步骤202)。然后，所述方法使用所述功率频谱来计算在所述贝塔频带(所述频带具有频率范围为15-30Hz)上的所述加权相位滞后指数x(wPLI)的一值，如下文详细公开的(步骤204)。然后，所述方法比较所述wPLI的所述计算值与一阈值(步骤206)。如果wPLI的所述值大于或等于所述阈值，则所述方法刺激一个或多个目标区域(步骤208)并且将控制转移到步骤200。
如果wPLI的所述值小于所述阈值的值，则所述方法将控制转移到步骤200以继续所述Ecog信号的所述感测。
步骤208的多个目标区域可以是一个或多个皮质区域、或者一个或多个深层脑部结构、或者一个或多个皮质区域与一个或多个深层脑部结构的组合。在步骤208中可以刺激的多个深层脑部结构可以包括，所述腹侧被盖区(VTA)、所述纹状体、所述尾状核、所述壳核、所述伏隔核(NA)、所述蓝斑、所述海马、所述杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、所述脑部的一皮质下区域、所述背侧纹状体、所述中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、所述黑质纹状体***的一部分、所述结节漏斗***的一部分、所述穹窿、所述梅纳德氏基底核(NBM)、所述前尾状核、所述背侧纹状体、所述丘脑前核、所述丘脑中央、所述外侧下丘脑、所述扣带回膝上部(BA 25)、所述内嗅皮质、所述穿质通路、所述内侧额叶、所述丘脑底核及其任何组合。
在患有抑郁症的患者中，一些所述优选的深层脑部目标可以包括，但不限于，所述扣带回膝上部(BA 25)、所述腹侧囊(VC)/腹侧纹状体(VS)、所述NA、所述外侧缰核、所述腹侧尾状核及所述下丘脑柄。
在正常用户中，一些所述优选的深层脑部目标可以包括，但不限于，所述腹侧被盖区(VTA)、所述纹状体、所述尾状核、所述壳核、所述伏隔核(NA)、所述蓝斑、所述海马、所述杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、所述脑部的一皮质下区域、所述背侧纹状体、所述中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、所述黑质纹状体***的一部分、所述结节漏斗***的一部分、所述穹窿、所述梅纳德氏基底核(NBM)、所述前尾状核、所述背侧纹状体、所述丘脑前核、所述丘脑中央、所述外侧下丘脑、所述扣带回膝上部(BA 25)、所述内嗅皮质、所述穿质通路、所述内侧额叶、所述丘脑底核及其任何组合。
如果所述目标脑部区域包含一个或多个皮质区域，步骤208的所述刺激可以在所述前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、所述背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、所述颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、所述下额回(IFG)、所述IFG的一部分、所述颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合中执行。
应当注意的是，如上文所公开，可在步骤208中刺激所述上述皮质的任何组合。
应当注意的是，在图16中公开的所述方法中可以有一些变化。例如，虽然所述目标脑部区域的所述刺激可以在步骤206的所述指示的所述检测之后立即执行，但在一些实施例中，所述刺激可以在一合适的延迟时段之后执行，这尤其取决于在步骤208中被刺激的所述特定目标脑部区域。
转到图17，图17中所示的所述示例性方法包括在一个或多个皮质区域中感测Ecog信号(步骤210)。对所述感测到的(及记录到的及数字化的)信号执行一傅里叶变换，例如一快速傅里叶变换(FFT)，以计算所述信号的所述功率频谱(步骤212)。然后，所述方法从所有所述功率频谱计算在所述伽马频带中的所述瞬时功率Pγ(步骤214)。所述瞬时功率Pγ表示对从一选定数量的电极的所述功率频谱的小时间块(例如，大约1秒)计算的功率值。所述伽马频带是包含频率范围f≥30Hz的频带。然后，所述方法比较Pγ的所述计算值与一阈值(步骤216)。如果Pγ的所述值小于或等于所述阈值，则所述方法刺激一个或多个脑部目标区域(步骤218)并且将控制转移到步骤210以继续所述感测。如果Pγ的所述值大于所述阈值，则所述方法将控制返回到步骤210以继续所述感测。所述皮质区域，其通过步骤210执行感测，可以类似于图16的步骤200的所述感测的所述皮质区域。
在步骤218中可以被刺激的所述目标脑部区域可以类似于如图16的步骤208的所述目标脑部区域。
在所述方法的一些实施例中，当所述目标脑部区域的所述刺激被刺激时，可以停止在所述皮质目标区域中的所述感测(可能是为了避免感测到可能由所述刺激所引起的刺激伪像)。
转到图18，在图18中公开的所述方法可以类似于图16中所示的所述方法，除了在图18的所述方法的步骤220之外，在所述皮质区域中的所述感测在所述目标脑部区域的所述刺激的期间内是停止的，并且在控制转移到图18的步骤200之后继续。
转到图19，在图19中公开得所述方法可以类似于图17中所示的所述方法，除了在图19的所述方法的步骤222之外，在所述皮质区域中的所述感测在所述目标脑部区域的所述刺激的期间内是停止的，并且在控制转移到图19的步骤210之后继续。
图18及图19的所述方法的其他可能实施例可以包括分别修改步骤220及220，使得所述目标脑部区域的所述刺激在分别从步骤206及216中的所述指示的所述检测的所述时间点之后的一延迟时间段经过后开始。
wPLI的计算方法
所述计算所述wPLI的方法在本领域中是已知的，并在以下论文中详细公开：
Christiano Micheli,Daniel Kapinf,Stephanie Westendorff,TaufikandA.Valiante and Thilo Womelsdorf,entitled"Inferior-Frontal cortex phasesynchronizes with temporal-parietal Junction prior to successful changedetection",published in Neuroimage,119,pp.417-431(2015).
and
MartinVinck,Robert Oostenveld,Marijnvan Wingerden,FranscescoBattaglia and Cyriel M.A.Pennartz,entitled"An improved index of phase-synchronization for electrophysiological data in the presence of volume-conduction,noise and sample-size bias",published in NeuroImage,55,pp.1548-1565,(2011).
简而言之，通过应用于所述相同尺寸，0.5秒时间窗的傅里叶分析来执行光谱分析。使用锥形离散(长椭球序列)和+/-4Hz频率带宽(对应于3个锥形)逐渐减少数据。对于示例的检查及可视化，使用0.5秒窗口运行时间频率分析，所述窗口的中心距离所述下一个/上一个窗口0.05秒，允许0.45秒的重叠。
相位同步分析
为了研究来自不同电极的信号之间的连通性，我们计算所述加权相位滞后指数x(wPLI)。所述wPLI是相位同步的量度(类似于相干性)，其仅基于所述交叉谱的所述虚部，并且不会被单个源的活动的所述体积传导虚假地影响到两个单独的传感器(例如，两个传感电极)。所述wPLI与相互作用源之间的真实相位耦合的增加单调相关。所述wPLI的一个优点是它对两个依赖源的线性混合是不变的，并且当所述相互作用的源在空间上接近时对检测相互作用敏感。所述wPLI的直接估计量受样本量的偏差。因此，我们通过使用从零(由于采样有限而偶然发生负值)到所述(最大相位同步)的所述去除的wPLI估计来估计所述平方wPLI。如果所述渐近wPLI值等于零(无相位耦合)，则所述去除的wPLI没有样本大小偏差，因此所述去除的wPLI不虚假地指示相互作用。此外，即使20-30次试验的小样本量，其样本量偏差也可忽略不计。注意，所述去除的wPLI是所述平方wPLI的估计值，即，所述去除的wPLI的值0.1对应于所述无偏wPLI的值约为0.3。所述wPLI考虑所述两个通道之间的交叉谱(例如，两个电极)，并且对于每个频率，它线性地称重0到90°之间的所述相位差(在零它的值为零，在90°时加权为1)，所述用于计算所述wPLI的所述值的等式是：
所述交叉谱C(f)＝X(f)Y*(f).所述矩阵X和Y分别是信道X和信道Y的所述FFT变换，*是所述共轭矩阵算子，C是所述的交叉谱。所述C的复杂非对角线部分称为NDC(非对角线交叉谱)，Imag(.)是所述虚部运算符，|.|是所述绝对值运算符，E{.}表示试验中所述期望值运算符(样本均值)。所述NDC与频率的相关性被省略，尽管它总是被隐含地假设。
应当注意的是，wPLI的所述值可以从一整个Ecog电极阵列的所述功率频谱集计算，但实际上可以从所选择的一组感测电极(子样本)的所述功率频谱计算，以提高计算效率。
当所述感测具有两个Ecog电极阵列时，每个位于不同的皮质区域，例如，所述PFC及所述TPC，理论上，给定一足够高的计算能力，对于那些所述对的一个电极在所述PFC中感测并且所述对的另一个电极在所述TPC中感测，从所有可能的电极对组合的所述功率频谱计算所述wPLI是可能的。然而，实际上，由于有限的计算能力，所述wPLI的计算可以在这种电极对的有限子集上执行。
计算Pγ的方法
信号x的功率频谱(Sxx，j)定义如下：
Sxx，j＝(2Δ2/T)Xj Xj*，它是频率为fj(Xj)的x的所述傅立叶变换及其复共轭(Xj*)的所述乘积，按所述采样间隔(Δ)的平方和所述记录的所述总持续时间(T)进行缩放。注意，所述功率频谱的单位是(在这种情况下):(μV)2/Hz。
来自所述筛选会话的数据可以通过将皮质信号重新参考到所述共同平均值并使用用于频谱功率估计的自回归方法来离线分析，称为所述最大熵方法(MEM)，以使用毫秒的滑动窗口，在1-50Hz的1Hz频段内计算频谱功率。在所述筛选任务之后，可以执行单个校准运行并且用于验证所述选择的BCI控制特征(所述BCI控制特征是反映所述用户或患者的神经状态变化的生理变化的信号或指示)。
BCI控制会话
在在线闭环会话期间，皮质信号被重新参考所述共同平均值，并且使用所述MEM算法在每个窗口移位125毫秒的皮质数据的500毫秒窗口上以1Hz箱中执行频谱分析。在收集每500毫秒窗口之后，使用所述控制特征的所述频谱功率来更新所述刺激方案，如所述的以下等式所述：
其中Y(t)是所述当前皮质刺激约束于所述0-100％范围的最大皮质刺激范围，Y(t-1)是所述先前的刺激设定，X(t)是所述BCI控制特征的所述当前值，μrest及μactive是所述BCI控制特征在所述活动及休息试验期间的所述手段，σrest是所述BCI控制特征在所述休息试验期间的所述标准偏差，Gain是控制所述刺激强度的增益项，而Bias是一偏移项目，旨在提高所述辨别休息时间的能力。
应当注意的是，上文公开的所述方法不限于上文所述的所述特定方法及算法。例如，所述方法可以包括通过所述领域中已知的任何频谱分析方法在任何频带上计算所述功率频谱及P(瞬时频谱功率)和/或wPLI，并且不限于使用傅立叶变换方法，例如FFT。
另外，尽管上文公开的所述特定示例性方法计算Pf(在一选定频带f的瞬时功率)的所述值为Pγ(所述伽马频带中的所述瞬时频谱功率)，这不是强制性的，并且Pf的所述值可以在任何期望的频带或频带上计算和使用(而不是Pγ)，例如，所述德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带或这些频带的任何选定组合。
类似地，使用所述检测信号的所述相位中的改变的所述方法的所述方法不限于所述伽马频带中所述参数wPLI的所述计算，或者完全计算所述wPLI，也可以通过用于检测上文公开的任何所述频带中的相位改变的任何算法或方法来执行(例如，所述德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带或这些频带的任何选定组合)。用于在任何上述公开的频带上计算或检测相位或频谱功率的改变的任何这样的方法可以用在本文公开的所述***和方法中。
本文公开的***还可用于提高人类认知表现。根据所述***的所述使用方法的一些实施例，所述***可用于治疗患有神经损伤或神经障碍或神经精神障碍的人类患者的认知缺陷。
所述BCI***，例如所述***10、30、40及50、60、80、120、130、140及160，尤其可用于改善具有脑损伤中风、痴呆、神经变性疾病或其他阻碍或不利影响此类患者认知功能的病变的个人的所述学习(或重新学习)任务的速率。此外，对于具有中风、痴呆、神经变性疾病、所述PFC中的病变或工作记忆受损或维持维持注意力能力受损的个人，本文公开的所述***可用于改善他们的工作记忆及维持注意力维持性能。在本申请中公开的所述***及方法还可以用于通过调制和/或控制在脑部区域中与注意力集中的所述认知任务相关的神经元活动来治疗患有ADHD或ADD的个人。
此外，根据本申请的所述***的一些实施例，在本申请中公开的所述***及方法可以在所述相同或不同的脑部区域中检测与OCD行为类型相关联的神经元活动模式，并且还可以用于治疗患有强迫症的神经和/或神经精神病患者，通过在选定的脑部区域中适当地调制神经元活动，如以下公开的那样：
Nikolaos Makriset et al.in the paper entitled"Variability andanatomical specificity of the orbitofrontothalamic fibers of passage in theventral capsule/ventral striatum(VC/VS):precision care for patient-specifictractography-guided targeting of deep brain stimulation(DBS)in obsessivecompulsive disorder(OCD)."published in Brain Imaging and Behavior,December2016,Volume 10,Issue 4,Pp.1054–1067.
另外地或替代地，本文所公开的所述***及方法可用于正常用户以提高和/或增强和/或改善认知表现，例如，尤其是，学习速率、工作记忆(WM)及维持注意力。
所述人类纹状体是一深层脑部结构，其类似于一“加权学习引擎”。在学习任务期间，对所述纹状体进行深层脑部电刺激，导致所述VTA及更深层结构释放多巴胺，这加强了相关神经元之间的连结，所述相关神经元在学习所述新任务的过程中被强化。这导致所述学习速率加倍。
所述背外前额皮质(DLPFC)是一个皮质表面区域(BA 46及9)，其控制着工作记忆及维持注意力，这些是所谓执行认知的最重要组成部分。在涉及在工作记忆及维持注意力中保持项目的任务期间，可以在所述DLPFC内感测神经元激活的不同模式。
在本申请中公开的所述不同***中，一深层脑部刺激器/嵌入式网状电子器件/支架阵列，可用于在工作记忆激活或维持注意力的特定时间刺激所述纹状体或其他深层脑部结构，以加强及强化与“积极”认知行为相关的连接(例如在工作记忆中存储多个项目并正确检索它们，或维持注意力超过一特定阈值)。
应当注意的是，在本申请中公开的所有所述***中，所述***的所述各个部件之间的所述连接可以实现为有线连接或通过使用适当的无线发射器和/或无线接收器和/或无线收发器实现的无线连接。可以使用任何合适的无线发射器方法，只要它们可以在围绕所述***的所述条件下操作，如果所述电极组及处理器/控制器放置在所述脑部的所述表面上或在颅内，则可以使用射频(RF)无线***，但是也可以使用本领域已知的其他无线通信方法及设备，例如可以适用于植入脑设备的超声波无线通信设备、红外线无线方法和/或设备、光学无线通信设备及方法以及所述类似物。
还应注意，本文公开的所有所述***的各种组件之间的所述类型的有线或无线通信链路可以是单向的(例如，仅用于感测或仅用于刺激的链接)，但也可以是用于双向通信的双向链路。例如，感测电极阵列(例如本文所公开的任何所述感测电极组件)与所述处理器/控制器之间的所述连接可以通过所述感测电极组实现所述的激励信号的传递。这可用于测试所述电极以确定所述电极和/或所述脑组织与所述电极紧密接触或在其所述附近的所述电特性的任何变化。类似地，所述到刺激电极组的链接也可以是双向链路，以使得能够感测所述对测试脉冲的电响应，以测试所述刺激电极及其密切环境的所述电特性。可以进行其他测试以测试神经元活力或活动的短期，中期和长期变化和/或监测这些随时间的变化。
应当注意的是，根据本申请的所述***及方法的一些实施例，可以在不刺激如上文所公开的深层脑部结构的情况下，实现所述用户(或患者)认知表现的提高和/或增强和/或改善。
例如，根据本申请的所述***的一些实施例，所述***可包括一个或多个电极组，用于感测/记录与所述任务神经元活动相关的所述DLPFC信号，这表示了一认知任务的所述表现和/或执行这样的认知任务的所述意图，如上文详细公开的那样。然而，与所述先前公开的示例性***相比，其包括一个或多个用于传递刺激给深层脑部结构的电极组件，在所述***的一些实施例中，所述***可包括一个或多个电极组件，其能够传递刺激给所述DLPFC，直到侦测到与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的所述呈现有关的神经元活动。例如，转到图3，用于在所述DLPFC感测及刺激的所述***可以包括所述处理器/控制器14、所述电源3、所述存储器/数据存储器16、所述(可选)辅助传感器18、所述(可选的)效应器装置及所述感测电极组12C(所述刺激电极组12D不包括在这样的一个***中)。所述感测电极组12C及所述处理器/控制器14可用于感测/记录与神经元活动相关的所述DLPFC信号，如上文详细公开的，并且用于处理所述感测到的/记录到的信号以检测一时空神经元活动模式，所述时空神经元活动模式表示或与一认知任务和/或执行这样一认知任务的所述意图有关，如上文详细描述的那样。
一旦检测到这种模式，所述***可以使用所述相同感测电极组12C来刺激所述DLPFC的某些区域。所述DLPFC刺激响应于这种检测递送到所述DLPFC可导致局部激活多巴胺神经突触终止于涉及局部DLPFC回路的神经元的树突或细胞体，这可能导致加强这样的回路，从而导致所述用户的所述认知表现的提高/增强/改善。
这种***可能是有利的，因为它们消除了所述进行所述相对更复杂的外科手术的需要，所述手术用于植入能够传递深层脑部结构刺激的电极组。另外，因为所述DLPFC的感测/记录和刺激都可以由单个电极组执行，所以所述公开的***可以包括更少的部件。在这样的***中，所述感测电极组12C可以是一Ecog类型(任何已知类型)电极阵列，其可以与所述DLPFC的所述表面或所述上覆的软脑膜或硬脑膜接触，但也可以是Lieber及其同事在所述论文中公开的所述柔性网格型电极阵列之一，其可以植入所述皮质组织中。犹他阵列也可用于通过穿透所述DLPFC的所述皮质组织用来感测/刺激所述DLPFC。支架电极阵列也可用于感测及刺激所述DLPFC，如上文详细公开。
应当理解，虽然单个电极组或电极阵列(例如，所述感测电极组12C)可能足以在所述DLPFC中进行感测及刺激，但是这对于实施所述发明的这个实施例不是强制性的，并且可以使用一组以上的电极组电极组。一些实施例可以包括一个(或几个)电极组，用于在所述DLPFC中进行感测，以及另一个(或几个其他)电极组，用于向所述DLPFC传递刺激。例如，一Ecog类型电极组可以用于感测/记录，并且一植入的柔性网状电极组可以用于所述DLPFC的刺激。在一些实施例中，一植入的网状柔性电极阵列可以用于刺激，并且一支架电极可以放置在所述DLPFC区域的一脑血管中用于感测。可以使用任何这种合适的电极组类型及数量的排列与变化，以实现用于感测及刺激所述DLPFC的所述***，用于增强/提高/改善本文所公开的认知表现。
此外，这种***可用于正常用户以及具有神经和/或精神病和/或神经精神障碍和/或残疾的患者，如上文详细公开的。
应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供或者在本发明的任何其他描述的实施方案中合适提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有这些元件的情况下不起作用。
如上所述和如下面的权利要求部分所要求保护的本发明的各种实施方案和方面在以下实施例中找到实验支持。
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均以其整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指出通过引用并入本文。另外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用作本发明的现有技术。在使用章节标题的范围内，它们不应被解释为必然的限制。

Claims (48)

1.一种脑机接口(BCI)***，用于增强和/或帮助和/或改善一用户的认知表现，所述***包括：
一个或多个电极组，用于感测与在所述用户的一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号，并且用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域；
至少一个处理器/控制器，与所述一个或多个电极组通信，所述至少一个处理器/控制器被编程以处理在所述一个或多个皮质区域中感测到多个信号及控制所述一个或多个目标脑部区域的所述刺激，所述多个信号用于检测一指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或一认知任务的执行有关，所述刺激响应于所述指示的所述检测用于增强和/或帮助和/或改善所述用户的所述认知表现；以及
至少一个电源，用于使所述BCI***通电。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述一个或多个目标脑部区域选自由，
所述用户的一个或多个深层脑部构造、
所述用户的一个或多个皮质区域及
一个或多个皮质区域与一个或多个深层脑部构造的一组合所构成的群组。
3.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个皮质区域包括前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合。
4.如权利要求2至3中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个深层脑部结构选自腹侧被盖区(VTA)、纹状体、尾状核、壳核、伏隔核(NA)、蓝斑、海马、杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、一背侧纹状体、一中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、黑质纹状体***的一部分、结节漏斗***的一部分、穹窿、梅纳德氏基底核(NBM)、前尾状核、背侧纹状体、丘脑前核、丘脑中央、外侧下丘脑、扣带回膝上部(BA25)、内嗅皮质、穿质通路、内侧额叶、丘脑底核及其任何组合。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述认知表现包括注意力集中表现、记忆表现、短期记忆表现、学习表现、记忆检索表现、工作记忆表现及其任何组合中的一个或多个。
6.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述认知任务选自一注意力集中任务、一注意力维持任务、一记忆任务、一短期记忆需求任务、一学习任务、一记忆检索任务及其任何组合。
7.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述用户选自一正常用户及一用户，具有一神经障碍、一精神障碍或一神经精神障碍。
8.如权利要求7所述的***，其特征在于：所述神经障碍、精神障碍或神经精神障碍选自注意力缺陷多动障碍(ADHD)、注意力缺陷症(ADD)、一学习缺陷、一注意力相关的缺陷或功能障碍、健忘症、一记忆相关的功能障碍、焦虑、抑郁、创伤性脑损伤、中风、痴呆、神经变性疾病及其任何组合。
9.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个电极组配置成用于感测在所述用户的一个或多个附加皮质区域中的神经元电活动和/或用于刺激在一个或多个附加皮质区域中的多个神经元，所述附加皮质区域选自一视觉皮质区域、所述初级视觉皮质(V1)的一区域、所述视觉皮质的所述内侧颞叶、所述运动皮质的一区域、所述前运动皮质的一区域、所述躯体感觉皮质的一区域、所述听觉皮质的一区域、所述右侧皮质枕叶的所述近中面、所述联络皮质、所述初级视觉皮质、所述视觉皮质的其它区域、所述听觉皮质、所述运动皮质、BA17、BA18、BA19、BA7、BA6、BA5、BA4及其任何组合。
10.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个电极组选自非侵入性电极组、侵入性电极组及其任何组合。
11.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个电极组选自，
至少一个感测及刺激电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及用于刺激所述多个目标脑部区域中的一个或多个；
至少一个感测电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及至少一个刺激电极组，配置成用于刺激所述多个目标脑部区域中的一个或多个；
至少一个电极组，配置成用于在所述一个或多个皮质区域中执行感测及用于刺激所述一个或多个皮质区域中的至少一个皮质区域；以及
至少一个电极组，配置成用于在所述DLPFC中感测及用于刺激所述DLPFC。
12.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个电极组选自，
至少一个电极组，配置成用于感测与在所述一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号及至少一个电极组，配置成用于通过使用暂时干扰(TI)电场来刺激一个或多个深层脑部结构；以及
至少一个电极组，配置成用于感测与在所述一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号及用于通过使用暂时干扰(TI)电场来刺激一个或多个深层脑部结构。
13.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述一个或多个电极组选自包括两个或多个电极的一电极组件、一多电极阵列、一可植入电极阵列、一可注射网状电极阵列、一可多路电极阵列、一柔性电极阵列、是于应用在一皮质表面的一柔性电极阵列、一线性电极阵列、一Ecog表面电极阵列、一μEcog电极阵列、一皮质内可植入电极阵列、一支架电极、一支架电极阵列、神经尘埃传感装置、EEG电极、一电极组，包括植入在头皮下的两个或多个电极、一电极组，配置成用于执行非侵入性经颅频率干扰刺激(NTIS)、一电极组，配置成用于执行颅内频率干扰刺激(ICTIS)及其任何组合。
14.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述与神经元电活动相关的多个信号选自多个细胞外记录的单一神经元活动电势、多个细胞外记录的电场电势及其任何组合。
15.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述***还包括一遥测单元，所述遥测单元与所述至少一个处理器/控制器通信，用于与一外部遥测单元无线地通信。
16.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述至少一个处理器/控制器选自在所述用户的所述颅骨外部的至少一个处理器/控制器、至少一个颅内处理器/控制器、至少一个可穿戴处理器控制器、至少一个远程处理器/控制器、至少一个数字信号处理器(DSP)、至少一个图形处理单元(GPU)、至少一个量子计算设备(QCD)、一量子计算机及其任何组合。
17.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述指示选自，在所述贝塔频带中的一计算后加权相位滞后指数(wPLI)的一变化、在所述伽马频带中的一计算后频谱功率(Pγ)的一变化，以及
在所述贝塔频带处的一个或多个电极对中感测到的皮层电活动在所述贝塔频带中的所述计算wPLI的一变化及在所述伽马频带处的频谱功率的一变化。
18.如前述权利要求中任一项所述的***，其特征在于：所述至少一个电源选自在所述用户所述颅骨外部的至少一个电源、至少一个颅内电源、至少一个可穿戴电源、至少一个颅内电源接收器，用于从一颅外电源无线地接收电力、至少一个颅内电源接收器，用于从一颅外电源无线地接收与存储电力、至少一个颅内植入的感应线圈，适于从一颅外设置的感应线圈接收电能，及其任何组合。
19.一种方法用于提高和/或帮助和/或改善一用户的认知表现，所述方法包括以下步骤：
感测与在一个或多个皮质区域中的神经元活动相关的多个信号；
处理用于检测一指示的所述多个信号，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或一认知任务的执行有关；以及
刺激所述用户的一个或多个目标脑部区域，所述刺激响应于所述指示的所述检测用于提高和/或帮助和/或改善所述用户的所述认知表现。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述一个或多个目标脑部区域选自，
一个或多个深层脑部构造、
一个或多个皮质区域及
一个或多个深层脑部构造与一个或多个皮质区域的一组合。
21.如权利要求19至20中任一项所述的方法，其特征在于：所述用户选自一正常用户及一用户，具有一神经障碍和/或一精神障碍和/或一神经精神障碍。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述用户是一用户，具有一神经障碍和/或一精神障碍和/或一神经精神障碍，并且其中与未执行所述刺激步骤时的所述用户的所述认知表现相比，所述刺激步骤改善所述用户的所述认知表现。
23.如权利要求21至22中任一项所述的方法，其特征在于：所述神经障碍和/或所述精神障碍和/或所述神经精神障碍选自注意力缺陷多动障碍(ADHD)、注意力缺陷症(ADD)、强迫性神经官能症(OCD)、焦虑、抑郁、一学习缺陷、一注意力相关的缺陷或功能障碍、一记忆功能障碍、创伤性脑损、中风、痴呆、神经变性疾病及其任何组合。
24.如权利要求19至20中任一项所述的方法，其特征在于：所述用户是一正常用户，并且其中与未执行所述刺激步骤时的所述用户的所述认知表现相比，所述刺激步骤增强所述用户的所述认知表现。
25.如权利要求19至24中任一项所述的方法，其特征在于：所述一个或多个皮质区域包括前额皮质(PFC)中的一个或多个、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合。
26.如权利要求19至25中任一项所述的方法，其特征在于：所述感测步骤还包括感测与在一个或多个附加皮质区域中的神经元活动相关的多个信号，所述附加皮质区域选自一视觉皮质区域、所述初级视觉皮质(V1)的一区域、所述视觉皮质的所述内侧颞叶、一运动皮质的一区域、一前运动皮质的一区域、一躯体感觉皮质的一区域、一听觉皮质的一区域、一右侧皮质枕叶的一近中面、所述联络皮质、所述视觉皮质的其它区域、一听觉皮质、一运动皮质、BA17、BA18、BA19、BA7、BA6、BA5、BA4及其任何组合，并且其中所述处理步骤还包括处理在所述附加皮质区域中感测到的所述多个信号以检测所述指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的呈现和/或执行所述认知任务有关。
27.如权利要求20至26中任一项所述的***，其特征在于：所述一个或多个深层脑部结构选自腹侧被盖区(VTA)、纹状体、尾状核、壳核、伏隔核(NA)、蓝斑、海马，杏仁核、所述中脑边缘***的一深层脑部结构、功能性地参与提高和/或促进学习、记忆与注意力集中的一深层脑部结构、所述脑部的一皮质下区域、一黑质、一背侧纹状体、一中脑皮质***内的所述边缘结构的一部分、黑质纹状体***的一部分，结节漏斗***的一部分、穹窿、梅纳德氏基底核(NBM)、前尾状核、背侧纹状体、丘脑前核、丘脑中央、外侧下丘脑、扣带回膝上部(BA25)、内嗅皮质、穿质通路、内侧额叶、丘脑底核及其任何组合。
28.如权利要求19至27中任一项所述的方法，其特征在于：所述刺激步骤选自，
刺激一个或多个深层脑部结构用于增强提高所述用户的认知表现；
刺激一个或多个深层脑部结构与一个或多个皮质区域用于提高所述用户的认知表现，以及
刺激一个或多个皮质区域用于提高所述用户的认知表现。
29.如权利要求19至28中任一项所述的方法，其特征在于：所述刺激步骤包括刺激一个或多个皮质区域，所述一个或多个皮质区域包括一前额皮质(PFC)、所述PFC的一部分、一背外侧前额皮质(DLPFC)、所述DLPFC的一部分、一颞顶皮质(TPC)、所述TPC的一部分、一下额回(IFG)、所述IFG的一部分、一颞顶交界(TPJ)、所述TPJ的一部分及其任何组合，用以提高和/或增强和/或改善所述用户的认知表现。
30.如权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于：所述感测、处理及刺激步骤是自动执行的。
31.如权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于：执行选自感测、处理及刺激步骤中一个或多个步骤是用户控制的。
32.如权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于：所述方还包括步骤：
刺激所述用户的所述视觉皮质，使所述用户感知一图形用户界面(GUI)的一虚拟图像，
在所述用户的运动皮质中感测与一自愿意图相关的多个信号，以执行一运动或执行一运动的想象或一运动的执行；以及
处理在所述运动皮中所感测到所述多个信号，以执行与所述GUI的所述虚拟图像的一交互，用于控制选自感测、处理及刺激步骤中的一个或多个步骤的执行。
33.如权利要求19至32中任一项所述的方法，其特征在于：所述处理步骤包括使用选自以下的一方法来处理所述多个信号：核分析、主成分分析、谱分析方法、通用空间模式方法(CSP)、分析CSP(ACSP)、时域分析方法、频域分析方法、监督模式分类、群集寻求方法、似然函数及统计决策。
34.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述感测及刺激步骤在一背外侧前额皮质(DLPFC)中执行。
35.如权利要求19至32中任一项所述的方法，其特征在于：所述处理步骤包括计算所述感测信号的傅里叶变换(FT)以获得对于多个电极对的功率频谱数据，对所述数据执行相位耦合分析以计算一加权相位滞后指数(wPLI)，比较所述计算后wPLI与一阈值，并且在检测到所述计算后wPLI小于一阈值时，启动刺激所述用户的所述一个或多个目标脑部区域的步骤。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：启动所述刺激步骤的步骤包括在所述检测的开始的一时间延迟时段之后，启动所述刺激步骤。
37.如权利要求35至36中任一项所述的方法，其特征在于：所述刺激步骤包括在所述刺激步骤的所述期间内，停止所述感测。
38.如权利要求19至32及34中任一项所述的方法，其特征在于：所述处理步骤包括计算所述感测信号的傅里叶变换(FT)以获得功率频谱数据，从所述功率频谱计算在所述伽马频带中的所述频谱功率(Pγ)值，比较所述计算后Pγ与一阈值，并且在检测到Pγ小于或等于一阈值时，启动所述刺激步骤。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于：启动所述刺激步骤的步骤包括在所述检测的开始的一时间延迟时段之后，启动所述刺激步骤。
40.如权利要求38至39中任一项所述的方法，其特征在于：所述刺激步骤包括在所述刺激步骤的所述期间内，停止所述感测。
41.一种脑机接口(BCI)***，用于增强和/或帮助和/或改善一用户的认知表现，所述***包括：
一个或多个传感装置，用于感测与在所述用户的一个或多个皮质区域中的神经元电活动相关的多个信号；
一个或多个刺激装置，用于提供多个刺激信号给一个或多个目标脑部区域，所述一个或多个目标脑部区域选自由所述用户的一个或多个深层脑部构造、所述用户的一个或多个皮质区域及所述用户的至少一个皮质区域与至少一个深层脑部构造；
至少一个处理器/控制器，与所述一个或多个传感装置通信与所述一个或多个刺激装置通信，所述至少一个处理器/控制器被编程以处理在所述一个或多个皮质区域中感测到多个信号及控制所述一个或多个目标脑部区域的所述刺激，所述多个信号用于检测一指示，所述指示与执行一认知任务的一意图和/或一认知任务的一呈现和/或所述任务的执行有关，所述刺激响应于检测所述指示用于增强和/或帮助和/或改善所述用户的所述认知表现；以及
至少一个电源，用于使所述BCI***通电。
42.如权利要求41所述的BCI***，其特征在于：所述一个或多个传感装置包括多个电极，配置成用以感测与在所述一个或多个皮质区域中的电活动有关的多个电信号。
43.如权利要求41至42中任一项所述的BCI***，其特征在于：所述一个或多个刺激装置包括多个电极，配置成用以施加多个电刺激信号给所述多个目标脑部区域。
44.如权利要求41所述的BCI***，其特征在于：所述一个或多个传感装置中的至少一个传感装置包括一个或多个电极组，所述电极组配置成用以感测与在所述一个或多个皮质区域中的电活动有关的多个电信号，并且其中所述一个或多个刺激装置中的至少一个刺激装置包括一个或多个电极组，所述电极组配置成用以施加多个电信号给所述一个或多个目标脑部区域，用于电性地刺激所述一个或多个目标脑部区域。
45.如权利要求1至16中任一项所述的***，其特征在于：所述指示选自，在一个或多个频带中的所述多个感测信号的一相位改变、
在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的计算后频谱功率的一变化以及
其任何组合。
46.如权利要求45所述的BCI***，其特征在于：所述频带选自德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带，或其任何组合。
47.如权利要求19至40中任一项所述的***，其特征在于：所述指示选自，在一个或多个频带中的所述多个感测信号的一相位改变、
在所述一个或多个频带中的所述多个感测信号的计算后频谱功率的一变化以及
其任何组合。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于：所述频带选自德尔塔频带、西塔、穆、阿尔法、贝塔、及伽马频带，或其任何组合。
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