運動想象（MI）是驅動腦機接口（BCI）的一種重要范式，但 MI 心理活動不易控制或習得，MI-BCI 的性能嚴重依賴被試 MI 的表現。因此 MI 心理活動的正確執行以及能力的評估和提高對 MI-BCI 系統性能的提升及應用具有重要的甚至關鍵性的作用。然而，在 MI-BCI 的研發中，已有研究主要聚焦于解碼 MI 的算法，對 MI 心理活動的這三個方面沒有足夠的重視。本文針對 MI-BCI 的這些問題進行詳細論述，指出被試易把動覺運動想象執行為視覺運動想象；未來需要研發客觀的、定量可視化的 MI 能力評估方法，并且需要研發有效的、訓練時間短的 MI 能力提高方法，也需要在一定程度上解決個體之間和內部 MI 的差異性、共性和 MI-BCI 盲問題。
引用本文： 田貴鑫, 陳俊杰, 丁鵬, 龔安民, 王帆, 羅建功, 董煜陽, 趙磊, 黨彩萍, 伏云發. 腦機接口中運動想象的執行與能力的評估和提高方法. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(3): 434-446. doi: 10.7507/1001-5515.202101037 復制
引言
腦機接口（brain-computer interface，BCI）是一種變革性的人機交互[1-4]。在典型的 BCI 范式中，運動想象（motor imagery，MI）是一種重要的 BCI 范式，MI-BCI 在運動功能障礙康復訓練中具有重要的應用價值[5-7]，也能用于腦控智能設備（如腦控智能機器人[8-9]），如圖 1 所示。
圖1
MI-BCI 系統示意圖
Figure1.
The schematic diagram of MI-BCI system
在圖 1 中，執行 MI 心理活動的人是整個 MI-BCI 系統的控制器，MI-BCI 的性能嚴重依賴于被試 MI 的表現。然而，MI 心理活動不易控制或習得，存在 BCI 盲或操控 BCI 較差的被試[10]。因此，MI 心理活動的正確執行、能力的評估和提高這三個方面的研究對 MI-BCI 系統性能的提升及應用具有重要的作用。迄今為止，已有的 MI-BCI 研究主要聚焦于解碼 MI 的算法[11-13]，對上述 MI 心理活動的三個方面研究不多或不夠深入，也沒有足夠的重視，也少有文獻對 MI 心理活動的這些內容進行闡述。本文針對 MI-BCI 的這些問題進行詳細論述，指出存在的問題和需要注意的事項，并提出未來的研究方向。
1 實際運動、動覺運動想象與視覺運動想象
肢體或身體其他部位的運動對人們的日常生活極為重要，運動功能的障礙或喪失會給患者的生活帶來極大的不便[5-6]。MI-BCI 有望為運動功能障礙的患者提供可選的康復訓練新方法[7,14-15]，改善其與外界的交流。BCI 中的 MI 范式涉及肢體或身體其他部位運動的想象，大多數 MI-BCI 文獻報道的是動覺運動想象（kinesthetic motor imagery，KMI），但實際上還有另一類 MI 是視覺運動想象（visual motor imagery，VMI）[16-17]。
1.1 實際運動的執行
在日常生活中，人們頻繁地執行一些肢體或身體其他部位的運動（即實際運動的執行，motor execution，ME），如步行、左右手臂運動、左右手部運動、頭部運動、眼球運動、面部肌肉運動、舌部運動、咀嚼或咬牙等，除此而外，也執行不同肢體的一些協調運動或復合運動，其方式具有多樣性。一些肢體或身體其他部位的運動如圖 2 所示。
圖2
肢體和身體其他部位運動示例
a. 步行；b. 舌部運動；c. 眼動；d. 手臂伸曲；e. 腳前掌輕敲；f. 微笑；g. 穿針引線；h. 握拳；i. 咬牙
Figure2. Examples of movements involving limbs and other parts of the bodya. walking; b. tongue movements; c. eye movements; d. extension and flexion involving arm; e. tapping with forefoot; f. smiling; g. threading; h. clenching; i. gritting one’s teeth
當個體準備 ME 時，其中樞神經系統（central nervous system，CNS）會進行運動規劃，即產生運動意圖，特定的腦區或腦網絡被激活[1-2]。之后，CNS 傳出的運動控制信號通過外周神經系統被發送到相應的肌肉組織，產生相應的運動，如圖 3a 所示。運動的意圖或想象可以通過 BCI 進行探測，直接產生運動，而旁路肌肉組織不會被激活，如圖 3b所示。
在圖 3a 中，CNS 控制 ME 通常包括三個階段：運動準備和規劃階段、運動執行階段和運動精確控制階段[18]。這三個階段分別誘發三種不同的電位：準備電位、運動電位和運動監測電位。CNS“自上而下”地把運動意圖、執行和精確控制的指令傳遞給外周神經和肌肉以實現運動，運動的結果又通過肌肉和外周神經“自下而上”地傳遞到 CNS，通過比較運動或動作的目標與系統的當前狀態來控制動作，以達成運動的目標。
1.2 動覺運動想象的執行
與上述 ME（可見的顯式運動）相比，KMI 要求被試以第一人稱視角在心里感覺或排演自己肢體或身體其他部位的運動過程但不發生實際運動[16,19-20]，即 KMI 要求個體一方面在心里創建運動的心理表征和肌肉收縮的感覺，但同時又要阻止該動作實際發生[21]，這是一種矛盾的對抗過程，是一種不自然的心理活動，不易執行和控制該心理活動[22]。
KMI 能力的習得往往需要大量的訓練，因為人們在日常生活中很少進行這種心理活動，從而缺少操控該心理活動的經驗或技能，存在較嚴重的運動想象盲（MI illiteracy）[23]。在這里，運動想象盲主要是指沒有 MI 能力或者 MI 能力很差的被試，即使經過訓練也難以獲得 MI 能力[23]。圖 4a 為被試在心里執行握拳的 KMI 示意圖。
圖4
KMI 和 VMI 示意圖
a. KMI 示意圖；b. VMI 示意圖
Figure4. Schematic diagram of KMI and VMIa. schematic diagram of KMI; b. schematic diagram of VMI
1.3 視覺運動想象的執行
還有一類 MI 是 VMI，目前已有基于 VMI 的 BCI 研究[24-25]。VMI 要求被試在心里可視化特定肢體或身體其他部位的動作，即被試應以第三人稱視角在腦海中清晰地看到自己或他人特定肢體或身體其他部位運動過程的畫面[26]。與需要大量訓練的 KMI 心理活動相比，VMI 心理活動僅需要少量的訓練，甚至不需要訓練，因為人們在日常生活中經常進行視覺想象（visual imagery，VI），如在腦海中回憶或看到某個情景或圖片[25]。VI 是一種自然的心理活動，被試往往可以熟練地、自由地操控此種心理活動。例如，我們能在腦海中浮現出自己母親清晰的面孔，更能夠在腦海中浮現出自己的形象；也能夠輕易地在腦海中浮現出一個物體并在心里操控該物體做各種運動，例如旋轉；我們還能夠在腦海里回憶一段電影里的視頻或日常生活中的一個社交場景，這些均是 VI 心理活動。VMI 是 VI 中的一種，圖 4b 為被試在心里執行步行的 VMI 示意圖。
1.4 實際運動、動覺運動想象和視覺運動想象的比較
1.4.1 執行的差異
ME 是自己執行的顯式運動，自己和他人往往能夠觀察到該運動的外在表現，是長期大量訓練而習得的自然運動，已習慣或自動化了，容易執行，通常不需要投入過多的心理資源或腦力。與 ME 相比，KMI 和 VMI 都是內隱性或內源性的心理活動，即隱式的運動，自己和他人往往觀察不到該運動的外在表現。然而，KMI 和 VMI 是兩種不同的心理活動，KMI 是以第一人稱視角在心里感覺或排演一個實際運動過程但不顯示出來，而 VMI 則是以第三人稱視角在心里看到或回憶之前觀察到的運動畫面。表 1 列舉了 5 種運動的 ME、KMI、OOM 和 VMI 的執行比較。其中 OOM 為觀察運動（observation of movement），是指個體觀察特定肢體或身體其他部位運動的過程或計算機屏幕上顯示的特定肢體或身體其他部位運動過程的動畫或視頻[16]。
表1
5種運動的 ME、KMI、OOM 和 VMI 的執行比較
Table1.
Comparison for execution of ME, KMI, OOM and VMI of five kinds of movements
1.4.2 腦成像的差異
上述四種運動模式（ME、OOM、KMI 和 VMI）的執行在心理和行為上存在差異，這些執行上的差異會使它們的腦成像存在差異，在 MI-BCI 的研發中，需要特別注意這些差異。除了執行上的差異，不同肢體的不同運動方式或不同的運動學和動力學參數（如運動時間、運動路徑、運動速度和作用力等）也可能誘發不同腦區和腦網絡回路的激活[23,27]，如左、右腳 MI 的成像就有差異[28-29]。因此，在 MI-BCI 的研發中，需要指明參與運動的肢體和具體的運動方式和運動參數，即明確特定肢體的特定運動。
關于 MI 激活的腦區目前還沒有統一的結論，這是由于不同研究采用的實驗范式存在差異（MI 涉及的肢體不同，運動的方式也不同）。盡管如此，通過總結 MI 腦成像的相關文獻[30-32]，仍然可以發現一些目前已達成共識的激活腦區，如表 2 所示。
表2
ME、OOM 和 MI 激活的腦區比較
Table2.
Comparison for cortical activations of ME, OOM and MI
為了使讀者更好地理解表 2 的內容，圖 5 示意了 ME、OOM 和 MI 激活腦區的元分析[28]。
圖5
ME、OOM 和 MI 激活腦區的元分析
Figure5.
Meta-analyses of the cortical activations for ME, OOM and MI
從表 2 和圖 5 可以看出，MI 與 ME 激活的區域較為接近，這與許多已有研究的結果一致，即 MI 與 ME 具有相似的神經機制，都會誘發與運動相關的腦節律事件相關去同步（event-related desynchronization，ERD）[17]。需要注意的是，由于 MI 心理活動需要抑制實際運動的發生，因此，MI 與 ME 激活的腦區或腦網絡并不完全一樣。關于 MI 的神經機制，還有很多爭議的地方，如因腦區定義的不清晰而導致存在爭議的初級運動皮層[17]、早期視覺皮層[33]等。
如前所述，KMI 與 VMI 是兩種不同的心理活動，可以假定這兩種心理活動激活的腦區存在差異。歸納關于這兩種心理活動腦成像的研究，目前為止發現差異具有統計學意義的是：與 KMI 相比，在 VMI 期間，視覺皮層的活動抑制程度更高[30-31]。這也提示我們在研發 KMI-BCI 和 VMI-BCI 時，需要注意腦區激活和抑制的差異并選擇合適的電極。對這兩種不同的 MI 心理活動，未來需要深入研究它們的神經機制。
1.5 特別值得注意的問題
（1）MI 不是瞬間完成的，需要持續一段時間，著重感覺運動的過程，且 MI 過程的時間與相應的 ME 過程時間一致[34]。因此，無論是 KMI-BCI 還是 VMI-BCI，要求被試控制自己想象過程的時間要和相應的 ME 過程時間一致，避免倉促完成 MI 而導致 MI-BCI 性能降低。
（2）在構建 MI-BCI 過程中，既有構建基于 KMI 的 BCI，也有構建基于 VMI 的 BCI[35-36]。目前，對訓練有素的 MI 被試，KMI-BCI 的分類精度要高于 VMI-BCI 的分類精度[14]。盡管 VMI 要比 KMI 容易執行，但 VMI 的分類比 KMI 的分類挑戰性更大。
目前已有少量研究對 VMI-BCI 進行了探索[35-37]，但總體而言，實驗范式的設計尚存在局限，這嚴重影響了分類精度[24]。從這一方面來看，VMI-BCI 還需要更深入的研究。未來，VMI-BCI 需要精心設計 VMI 任務組，使得任務組相關的腦電特征具有顯著的差異，或者進一步提取具有可分性的特征。
（3）被試易把 KMI 執行為 VMI，反過來則較少。這是因為對大多數人來說，VMI 要比 KMI 容易執行。為了確保被試正確地執行 KMI 或 VMI，需要設計精確的實驗指導語（如左手食指輕敲的實驗指導語，可以參考表 1），并在實驗開始之前對被試進行離線訓練。例如，對于 KMI-BCI 實驗，可以先讓被試執行肢體或身體其他部位的實際運動，緊接著要求被試在心里排演或感覺實際運動的過程，重復訓練一定時間；對于 VMI-BCI 實驗，先讓被試觀看肢體或身體其他部位運動的過程，緊接著要求被試在心里回憶或看到之前觀看的運動過程畫面，重復訓練一定時間。
為評估被試是否正確執行 KMI 或 VMI 心理活動，可通過下文介紹的 MI 能力評估方法確定，如腦功能成像方法或神經反饋（neurofeedback，NF）可視化方法等。
（4）在 MI-BCI 范式創新設計時，可供考慮的建議：① 與單個肢體 MI 相比，涉及多個肢體參與的協調 MI 或復合 MI，具有重要的研究意義和價值，如圖 1 中的步行和穿針引線；② 與粗略的肢體 MI 解碼相比，更加精細的肢體 MI 解碼更具有挑戰性和價值，如不同手指的運動；③ 與識別參與 MI 的肢體類型相比，解碼 MI 的運動學參數（如運動時間、運動軌跡、運動速度）和動力學參數（如作用力的變化和加速度）更具有挑戰性和潛在的價值，如步行的速度、軌跡等[27]。
2 動覺運動想象和視覺運動想象能力的評估方法
一些被試 MI 能力較強，但也有一些被試 MI 能力較差或沒有 MI 能力（MI 盲[23]）。在 MI-BCI 的研發中，對被試 KMI 和 VMI 能力的評估至關重要，可以根據評估結果初步確定其是否有操控這一類 BCI 的潛在能力，也可為提高這類被試或用戶的 MI 能力提供方案。
盡管 MI 是一種主觀的心理體驗，但在過去的幾十年中，許多研究表明，對 MI 的能力進行客觀的評估和分析是可能的[38-40]。目前常用的 MI 能力評估方法有問卷調查法（或國際量表）[7,40]、心理測時法（mental chronometry）[34]、腦功能成像、NF [41]、心理旋轉法（mental rotation）[38,42]等。MI 是由一系列過程組成的，包括運動圖像（motor images）的生成、維持、操縱和可控性 [43-44]，這 4 個成分代表了 MI 的不同階段或維度[34,44]，并分別可以采用問卷調查、心理測時法、心理旋轉法和可控性測試進行評估[45]。
2.1 國際量表
迄今為止，有若干評估 KMI 和 VMI 能力的國際量表，有的量表針對健康個體，如運動想象問卷調查（Movement Imagery Questionnaire，MIQ）[46]；有的量表針對運動殘疾患者，如動覺和視覺想象問卷調查（Kinesthetic and Visual Imagery Questionnaire，KVIQ）[40]；有的針對 MI 的可控性，如運動想象的可控性測試（Controllability of Motor Imagery Test，CMI test）[47]；有的針對 MI 的生動性，如運動想象生動性問卷調查（Vividness of Motor Imagery Questionnaire，VMIQ）[48]。MI 能力的兩個關鍵特征是生動性和可控性[49]，MI 能力問卷調查量表主要圍繞這兩個關鍵特征進行評估。下面主要介紹常用的 4 種 MI 問卷調查量表。
2.1.1 運動想象問卷調查
MIQ[46]從視覺和動覺各 9 個任務項目評估被試的 MI 能力，采用 7 分制，是一種依賴被試自我報告的調查問卷形式。該問卷要求被試在 MI 前執行實際運動，并為被試提供 MI 指導語。由于 MIQ 需要參與者執行一些實際運動，在運動功能障礙人群中難以推廣，因此常用于健康人群和運動員。目前有 MIQ 和 MIQ-R 兩個版本。
2.1.2 運動想象生動性問卷調查
MI 的生動性及其評估很重要。VMIQ 旨在評估 MI 在視覺和動覺方面的生動性，其從第一人稱視角和第三人稱視角兩個角度評估被試的 MI 能力，每個角度各 24 個任務項目，采用 5 分制打分表，被試在 MI 評估之前無需進行實際運動。VMIQ 的打分機制如表 3 所示[48]。目前有 VMIQ 和 VMIQ-R[50]兩個版本。
表3
MI 的清晰度/生動性評價量表
Table3.
Explicit/Vividness evaluation scale of MI
對 VMIQ 的可靠性和有效性的研究表明，它是一種很有前景的方法，但該問卷目前的項目更側重于評估運動的 VI 而不是動覺想象（kinesthetic imagery，KI）的生動性[50]。然而，評估運動的 KI 生動性極為重要，因為在目前的 MI-BCI 研究中，主要采用的是 KMI，具有生動性的 KMI 可能會誘發顯著的 EEG 特征，有利于 KMI-BCI 的分類。此外，通常來說，KMI 不容易正確執行，往往缺少生動性，而 VMI 相對容易執行，其生動性較好，因此更需要側重評價 KMI 的生動性。
2.1.3 運動想象的可控性測試
CMI 是指被試根據順序運動的指示，自主地按順序想象操控自己肢體的能力，可以采用 CMI test 來評估這項能力[47]。CMI test 由 15 個不同的任務項目構成，每個任務項有 6 個想象控制項（即測試指導語）。表 4 為 CMI test 中 1 個任務的 6 個想象控制項示例。
表4
CMI test 中 1 個任務的 6 個想象控制項示例
Table4.
Examples of six imaginary controls of one task in CMI test
CMI test 要求被試想象一種基本的運動姿勢（即第 1 個想象控制項），然后根據實驗指導語依次想象控制或操縱該姿勢。在連續想象 6 個控制項后，要求被試從 6 個選項（包括 5 種不同的肢體姿勢和忘記選項，以圖片的形式展示）中選擇與內心想象的肢體姿勢相匹配的選項。被試完成 15 個任務項的測試，根據被試選擇的正確率來評估被試 MI 的可控性，準確率越高，說明被試對 MI 的控制性越好。
上述 MI 的可控性及其測試很重要，因為 MI 要求被試在心里排演相應的實際運動過程，想象該過程的順序控制和所需的時間要求與實際運動過程一致，良好的 MI 可控性可能誘發顯著的頭皮腦電（electroencephalography，EEG）特征，進而有利于 MI-BCI 的解碼。
2.1.4 動覺和視覺想象問卷調查
KVIQ[39-40,51]綜合了 MIQ 和 VMIQ 的優缺點（MIQ 評測前需要被試執行實際動作，不適合運動功能障礙患者，VMIQ 更側重 VI），問卷調查者根據被試執行 KMI 或 VMI 時的主觀感受進行評分。也就是在想象結束后，被試根據評分等級的評估詞，如“不能想象”或者“沒有感覺”等，向問卷調查者描述 VI 內容的清晰度和 KI 的感覺強度，然后由調查者按 5 分制進行評估，如表 5 所示[52]。被試在 KVIQ 評估之前無需進行 ME，因此，該問卷適合那些因故不能站立或執行復雜動作的人，如腦卒中患者[39,51]。目前，KVIQ 有 KVIQ-20 和 KVIQ-10 兩個版本，其中 KVIQ-20 有 20 個任務項目，而 KVIQ-10 只有 10 個任務項目，耗時短，常用于臨床。
表5
KVIQ 評分表
Table5.
Rating scales of the KVIQ
以上介紹的問卷調查評估方法具有一定的局限性，因為被試心理想象的過程和結果只有被試本人知道，實驗者無法知道，被試做出選擇的正確與否或評分依賴被試的判斷，具有一定的主觀性。而 NF 等評估方法可能在一定程度上克服這個局限。
2.2 心理測時法和心理旋轉
除了上述問卷調查法，還可采用心理測時法針對 MI 的執行時間來評估 MI 的能力[34]。此外，肢體的心理旋轉也是一種 MI，可以作為驅動 BCI 的一種心理任務，其往往與心理測時法相結合。
2.2.1 心理測時法
心理測時法是對人腦信息加工的時序或心理活動過程的精確測量[34]。執行心理任務所花費的時間反映出該心理任務的認知過程，心理測時法可評測認知加工速度。認知加工速度常采用反應時間（reaction time，RT）衡量，RT 為從刺激（如視覺或聽覺）或提示出現到被試做出反應所需的時間。心理測時法通常采用基本的、簡單的認知任務，包含的心理過程或操作數量相對較少，RT 為毫秒級。
MI 是一個過程，往往不是瞬間就完成的，需要花費一定的時間，因此心理測時法可以作為評估被試 MI 能力的一個指標[53-54]。在周期性的運動中，MI 和相應 ME（如抓握、書寫和跑步）的持續時間相一致[34]，因此被試執行 MI 的持續時間與相應實際運動的持續時間越接近，表明該被試的 MI 能力越強。MI 能力的心理測時法是對 MI 感知加工速度的測量，執行 MI 所花費的時間反映出該心理任務的感知過程。
MI 的 RT 可以這樣測量：提示 MI 開始的時刻與 MI 結束時被試的按鍵反應時刻之差，該時間反映了在心里排演一個實際運動的感知過程或處理速度。
2.2.2 心理旋轉
心理旋轉是一種在心里操控物體旋轉的認知任務，要求被試“旋轉”二維或三維物體的心理表示[55]。研究表明肢體某部分或整體（不一定是被試的）的心理旋轉過程也會使被試的相應肢體參與心理旋轉運動[38]，這提示我們，在運動功能障礙康復訓練的 BCI 研發中，可以設計肢體的心理旋轉作為驅動 BCI 的一種心理任務，把肢體的旋轉圖像先呈現給被試，然后讓被試在心里旋轉該肢體。
由上可知，心理旋轉是一種心理任務，而心理測時法是一種測量心理加工速度的方法，心理旋轉因其可操控性，可作為心理測時法的心理任務，因此通常把心理旋轉和心理測時法結合起來進行研究和應用。作為具體應用，肢體的心理旋轉及其心理測時法評估通常分以下幾個認知階段：① 從所要求的角度在心里創建肢體旋轉的圖像（旋轉的起始位置）；② 在心里旋轉肢體圖像，直到可以進行比較（旋轉的目標位置）；③ 執行比較；④ 確定肢體的心理旋轉角度是否達到要求；⑤ 做出決策（按下按鈕時記錄 RT）。被試完成肢體心理旋轉的反應時間越短，準確率越高，表明被試的 MI 能力越好[38]。
2.3 腦功能成像
MI 期間的腦成像特征可以作為評估 MI 能力的一種客觀指標。目前，常用的腦成像方法有 EEG[16]、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）[56-58]、功能性近紅外光譜成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）[59]等。其中 fMRI 具有較高的空間分辨率[56-57]，可以定位特定感覺、知覺或認知任務下大腦的功能激活分布[58]，因此可以用來評估 MI 期間大腦激活的分布特征。一種可選的方法是，首先在被試 KMI 和 VMI 任務態期間進行 fMRI 成像并提取特征，然后以具有較強 MI 能力被試的 fMRI 成像特征作為參考來比較，如果具有可比性，可評估為具有較強的 MI 能力，如果沒有可比性，可評估為 MI 能力較差[60]。
除此而外，也有研究采用靜息態下的 fMRI 和 EEG 成像來評估 MI 能力[61]，但這兩種方法不是在 MI 任務態下進行評估，可作參考。
2.4 神經反饋
NF 是生物反饋的一種，有若干可以實現 NF 的腦信號采集方法［如 EEG、fMRI、fNIRS[59]和神經元脈沖發放（Spikes）等］，其中 EEG 具有較高的時間分辨率，基于 EEG 的 NF 可以在線實時可視化呈現被試大腦活動的分布特征[62]，如 MI 期間大腦活動分布特征的實時呈現。
如前所述，MI 是一種隱式的運動或心理活動，實驗者無法直接得知被試想了沒有以及想象如何，也觀察不到該運動的外在表現，因此難以評價被試 MI 的能力或表現[27]。然而，MI 期間的 EEG-NF 能夠可視化地顯示 MI 誘發的 EEG 特征，因此，EEG-NF 可以作為評估被試 MI 能力的一種方法，具有一定的客觀性。利用 EEG-NF 評價 MI 能力的一種可選方法是，通過呈現被試的 MI 腦電特征分布的地形圖、分類結果或控制外部設備的效果，以此作為評價被試 MI 的能力。
2.5 事件相關同步/去同步
在執行左右手 MI 時，對側感覺運動區 EEG 中 μ 頻段和 β 頻段出現振幅降低，即 ERD，表示該運動區激活。同時，同側感覺運動區 EEG 中 μ 頻段和 β 頻段出現振幅增加，即事件相關同步（event-related synchronization，ERS），表示該運動區去激活[59]。基于 MI 的 BCI 主要利用這一差異對 MI 任務進行解碼[29]。ERD/ERS 可以用來反映被試腦區的激活強度[63]，通過觀察 ERD/ERS 特征是否穩定來判斷被試 MI 能力。
3 動覺運動想象和視覺運動想象能力的提高方法
目前，要能夠或熟練操控 BCI 系統，通常需要掌握操控 BCI 系統的技能，這種技能可以通過訓練獲得。有研究表明，被試或用戶需要學會調節或控制自己的腦活動以產生差異顯著的特定 EEG 成分，從而驅動 BCI 系統，該研究認為 BCI 技術依賴于個體自主和可靠地產生腦電活動變化的能力[64]。
迄今為止，MI 是 BCI 中最常用的任務，然而，MI-BCI 的性能嚴重依賴被試或用戶的 MI 能力或表現，為提高該類 BCI 系統的操控性，被試或用戶需要接受一定量甚至是大量的訓練。無論是 KMI-BCI 還是 VMI-BCI，均需要相應提高 KMI 和 VMI 的能力。
3.1 動覺運動想象能力的提高方法
通常采用兩種方法提高 KMI 能力：離線訓練和 NF 訓練。
3.1.1 離線訓練
被試離線操控 BCI 系統，首先以特定的肢體（需要明確參與運動的肢體，如右手食指）和運動方式（需要明確運動方式，如輕敲、屈伸或按壓）及運動參數［需要明確運動參數，如輕敲或屈伸的速度（0.5 Hz/1 Hz/2 Hz 等）、按壓力的大小（如最大/中等/最小等）］執行實際運動，獲得 ME 過程的體驗，然后在心里排演或模擬剛才執行的 ME 過程，但不發生實際運動[27,65-67]，要求 KMI 過程與 ME 過程所用時間一致。重復以上過程，通過一定的訓練量，直到獲得一定程度的 KMI 生動性和可控性，訓練后填寫 KMI 能力問卷調查表進行評估[68]。
特別值得注意的是，不同的肢體以不同的運動方式和運動參數進行運動，其誘發的腦信號可能不完全相同，對應的 KMI 相關的腦信號也可能不完全相同[27]。經離線訓練后具有一定 KMI 能力的被試可作為 MI-BCI 的候選被試，其他被試可以排除。由于此種方法是離線訓練，提高 KMI 的能力有限[69]，訓練后的問卷調查評估具有一定的主觀性，可能納入或排除了不合適的被試。
3.1.2 NF 訓練
NF 除了可以作為評估被試 MI 能力的一種方法，還可以作為訓練并提高被試 MI 能力的手段，它是一種在線訓練方法。有研究表明，被試可以通過腦電 NF 學習調節感覺運動皮層的電活動[70]，這樣自我誘發的腦電變化可以作為 BCI 的控制信號[62]。在反饋調節 KMI 期間，所有被試在對側中央區域均出現顯著的 ERD，與無反饋的初始對照實驗相比，ERD/ ERS 顯示出增強的半球不對稱性，NF 訓練后，所有被試的分類準確率達到 85%～95%[71]。其他 MI-BCI 研究[69,72]也表明 NF 訓練可以在一定程度上提高被試的 MI 表現或能力。
用 NF 訓練提高被試 MI 的能力，通常的方法是：被試根據計算機顯示器上呈現的視覺提示執行相應的 KMI 運動。被試 KMI 任務的表現由設計的反饋形式（如反饋條[73]、腦激活地形圖[74]、控制光標移動[75]、控制移動機器人[8]、控制機械臂[76]、控制智能小車[72]、控制簡單有趣的游戲[77]等）在線實時可視化呈現，這些反饋形式代表了當前的腦電模式。被試根據 NF 呈現的結果可以了解自己的 KMI 表現，同時可以調整自己的 KMI 心理策略，直到看到滿意的反饋結果[15]，通過這樣的 NF 訓練，找到適合自己的 KMI 執行方式，從而提高自己的 KMI 能力。圖 6 為 MI-BCI 控制機器人的神經反饋訓練示意圖。
圖6
KMI-BCI 控制機器人的神經反饋訓練示意圖
Figure6.
Schematic diagram of neurofeedback training for KMI-BCI controlled robot
與離線訓練方法相比，NF 訓練方法的獨特優勢是在線實時學習和調節，把隱式的 KMI 心理活動以可視化的反饋形式呈現出來，即“所想即所見”，從而提高 KMI 表現。
3.2 視覺運動想象能力的提高方法
對被試的 VMI 進行提高，可以先為被試示范相應的動作，或者播放演示動作的視頻，然后要求被試在內心可視化之前觀看到的肢體動作[68]。即被試先仔細觀察運動過程和細節，進行記憶（情景記憶），然后在腦海中回憶觀察到的運動過程（情景回憶）。對于大多數人，無需訓練即可獲得正常的 VMI 能力，并且該能力比 KMI 能力強[45]。
3.3 冥想訓練
冥想是一種提高正念和意識的心理訓練方法，對人的精神狀態有積極作用。冥想訓練也是提高 MI 能力的一種方法，因為冥想可增強注意力和控制腦節律[78-79]。如在使用 MI 控制一維和二維光標的任務中，冥想者的表現均優于無冥想經驗者，并且在冥想者組中，BCI 盲的人數較少[78]。最后，對冥想組和無冥想經驗組進行神經生理學分析，結果表明冥想者在任務期間的靜息感覺運動節律預測因子更高，靜息態 μ 節律更穩定，并且控制信號比對照組更強[78]。值得一提的是，冥想訓練和 MI-BCI 是相互促進的，MI-BCI 也可以提高冥想者的專注度[80]。
4 BCI 中運動想象的執行、能力的評估和提高方法：未來的趨勢
4.1 MI 的自動化執行、實時可視化客觀評估和高效的神經反饋訓練
4.1.1 BCI 中 MI 的執行：訓練直到自動化
無論采用 KMI 還是采用 VMI 心理活動驅動 MI-BCI 系統，在最初階段都需要正確的指導語來指導被試正確地執行這兩種心理活動，以誘發出期望的腦信號特征。隨著被試操控 MI-BCI 系統經驗的積累，可通過操作性條件反射訓練找到適合他自己的 MI 心理策略，甚至可望達到不需要投入過多的腦力資源，也能自動化地執行 MI，并很好地操控 MI-BCI[64]。
4.1.2 BCI 中 MI 能力的評估：在線實時可視化的客觀評估
由于 MI 是一種隱式的心理活動，被試和實驗者均難以顯式地進行監測或評估，為此需要采用腦成像的方法把 MI 期間激活的腦區分布或腦網絡特征（定量指標）可視化地呈現出來。除此而外，離線的問卷調查存在一定的主觀性，為彌補此缺點，需要在線實時、定量、客觀地評估 MI 表現。總之，未來需要研發客觀的、定量的 MI 能力評估方法。
4.1.3 BCI 中 MI 能力的提高：在線實時高效的 NF 訓練方法
為提高被試 MI 的能力，離線訓練可以作為初級階段的訓練，進一步的訓練則需要通過 NF。基于精準的時-頻-空特征［精準的腦區（對應電極）、精準的頻率、精準的時間］NF 調節訓練是未來的一個研究方向。這種訓練需要對 MI 相關腦區［KMI 激活的感覺運動區、VMI 激活的額葉和頂枕區（與電極位置對應）］的神經振蕩頻段或頻率（如 μ、β 和 γ 節律）的功率、運動相關電位的成分進行精準的調節。
除上面精準特征的 NF 調節外，NF 的形式設計也很重要，反饋信號豐富的視覺再現可以促進被試的學習，并且呈現 NF 內容的可視化界面要求易理解、直觀和美觀。總之，NF 的內容和形式要求能夠集中被試的注意力，如可以將 MI-BCI 和虛擬現實（virtual reality，VR）相結合，構建高度逼真、沉浸感強的 NF 訓練系統[81]，這樣訓練效果可能會更好。因此，未來需要研發新的、更有效、訓練時間短（5～10 min）的 MI 能力提高方法。
4.2 個體之間和內部 MI 的差異性、共性和 MI-BCI 盲問題
4.2.1 個體之間和內部 MI 的差異性、共性問題
充分考慮個體之間 MI 誘發腦信號的差異性，需要為特定個體定制 MI-BCI 系統；另一方面，也要考慮個體之間 MI 誘發腦信號的共性，可以采用遷移學習[11,82]構建具有一定通用性的 MI-BCI 基本模型。除此而外，還要充分考慮個體內部不同時間段 MI 的差異和共性，可以采用自適應的機器學習算法[83]、自適應的通道選擇[84]和深度學習[85]等方法進行優化。
4.2.2 MI-BCI 盲
沒有 MI 能力或經過 MI 能力提高訓練之后其 MI 表現依然較差的被試，可建議不選用 MI-BCI 系統，而是考慮其他類型的 BCI 系統。通過 MI 能力提高訓練后，原來 MI 能力較差的被試如 MI 表現提高了，則可以考慮采用 MI-BCI 系統。
5 結束語
MI-BCI 是一種重要的 BCI，其中 MI 心理活動的正確執行、能力的評估和提高方法對該類 BCI 具有重要的作用。本文闡述了與 MI-BCI 相關的 ME、KMI 和 VMI 的執行，進而對它們進行了比較，并指出需要特別注意的問題。接著論述了 KMI 和 VMI 能力的評估方法，包括評估二者能力的國際量表，主要是 CMI test、VMIQ 以及 KVIQ；還介紹了心理測時法、腦功能成像以及 NF 評估 MI 的能力。然后，概述了 KMI 和 VMI 能力的提高方法，包括離線訓練、在線 NF 調節訓練和冥想訓練。最后指出 MI-BCI 中 MI 執行、能力的評估和提高方法是未來需要進一步研究的問題。希望本文能夠啟示和促進 MI-BCI 系統的研發并走向實用化。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
腦機接口（brain-computer interface，BCI）是一種變革性的人機交互[1-4]。在典型的 BCI 范式中，運動想象（motor imagery，MI）是一種重要的 BCI 范式，MI-BCI 在運動功能障礙康復訓練中具有重要的應用價值[5-7]，也能用于腦控智能設備（如腦控智能機器人[8-9]），如圖 1 所示。
圖1
MI-BCI 系統示意圖
Figure1.
The schematic diagram of MI-BCI system
在圖 1 中，執行 MI 心理活動的人是整個 MI-BCI 系統的控制器，MI-BCI 的性能嚴重依賴于被試 MI 的表現。然而，MI 心理活動不易控制或習得，存在 BCI 盲或操控 BCI 較差的被試[10]。因此，MI 心理活動的正確執行、能力的評估和提高這三個方面的研究對 MI-BCI 系統性能的提升及應用具有重要的作用。迄今為止，已有的 MI-BCI 研究主要聚焦于解碼 MI 的算法[11-13]，對上述 MI 心理活動的三個方面研究不多或不夠深入，也沒有足夠的重視，也少有文獻對 MI 心理活動的這些內容進行闡述。本文針對 MI-BCI 的這些問題進行詳細論述，指出存在的問題和需要注意的事項，并提出未來的研究方向。
1 實際運動、動覺運動想象與視覺運動想象
肢體或身體其他部位的運動對人們的日常生活極為重要，運動功能的障礙或喪失會給患者的生活帶來極大的不便[5-6]。MI-BCI 有望為運動功能障礙的患者提供可選的康復訓練新方法[7,14-15]，改善其與外界的交流。BCI 中的 MI 范式涉及肢體或身體其他部位運動的想象，大多數 MI-BCI 文獻報道的是動覺運動想象（kinesthetic motor imagery，KMI），但實際上還有另一類 MI 是視覺運動想象（visual motor imagery，VMI）[16-17]。
1.1 實際運動的執行
在日常生活中，人們頻繁地執行一些肢體或身體其他部位的運動（即實際運動的執行，motor execution，ME），如步行、左右手臂運動、左右手部運動、頭部運動、眼球運動、面部肌肉運動、舌部運動、咀嚼或咬牙等，除此而外，也執行不同肢體的一些協調運動或復合運動，其方式具有多樣性。一些肢體或身體其他部位的運動如圖 2 所示。
圖2
肢體和身體其他部位運動示例
a. 步行；b. 舌部運動；c. 眼動；d. 手臂伸曲；e. 腳前掌輕敲；f. 微笑；g. 穿針引線；h. 握拳；i. 咬牙
Figure2. Examples of movements involving limbs and other parts of the bodya. walking; b. tongue movements; c. eye movements; d. extension and flexion involving arm; e. tapping with forefoot; f. smiling; g. threading; h. clenching; i. gritting one’s teeth
當個體準備 ME 時，其中樞神經系統（central nervous system，CNS）會進行運動規劃，即產生運動意圖，特定的腦區或腦網絡被激活[1-2]。之后，CNS 傳出的運動控制信號通過外周神經系統被發送到相應的肌肉組織，產生相應的運動，如圖 3a 所示。運動的意圖或想象可以通過 BCI 進行探測，直接產生運動，而旁路肌肉組織不會被激活，如圖 3b所示。
在圖 3a 中，CNS 控制 ME 通常包括三個階段：運動準備和規劃階段、運動執行階段和運動精確控制階段[18]。這三個階段分別誘發三種不同的電位：準備電位、運動電位和運動監測電位。CNS“自上而下”地把運動意圖、執行和精確控制的指令傳遞給外周神經和肌肉以實現運動，運動的結果又通過肌肉和外周神經“自下而上”地傳遞到 CNS，通過比較運動或動作的目標與系統的當前狀態來控制動作，以達成運動的目標。
1.2 動覺運動想象的執行
與上述 ME（可見的顯式運動）相比，KMI 要求被試以第一人稱視角在心里感覺或排演自己肢體或身體其他部位的運動過程但不發生實際運動[16,19-20]，即 KMI 要求個體一方面在心里創建運動的心理表征和肌肉收縮的感覺，但同時又要阻止該動作實際發生[21]，這是一種矛盾的對抗過程，是一種不自然的心理活動，不易執行和控制該心理活動[22]。
KMI 能力的習得往往需要大量的訓練，因為人們在日常生活中很少進行這種心理活動，從而缺少操控該心理活動的經驗或技能，存在較嚴重的運動想象盲（MI illiteracy）[23]。在這里，運動想象盲主要是指沒有 MI 能力或者 MI 能力很差的被試，即使經過訓練也難以獲得 MI 能力[23]。圖 4a 為被試在心里執行握拳的 KMI 示意圖。
圖4
KMI 和 VMI 示意圖
a. KMI 示意圖；b. VMI 示意圖
Figure4. Schematic diagram of KMI and VMIa. schematic diagram of KMI; b. schematic diagram of VMI
1.3 視覺運動想象的執行
還有一類 MI 是 VMI，目前已有基于 VMI 的 BCI 研究[24-25]。VMI 要求被試在心里可視化特定肢體或身體其他部位的動作，即被試應以第三人稱視角在腦海中清晰地看到自己或他人特定肢體或身體其他部位運動過程的畫面[26]。與需要大量訓練的 KMI 心理活動相比，VMI 心理活動僅需要少量的訓練，甚至不需要訓練，因為人們在日常生活中經常進行視覺想象（visual imagery，VI），如在腦海中回憶或看到某個情景或圖片[25]。VI 是一種自然的心理活動，被試往往可以熟練地、自由地操控此種心理活動。例如，我們能在腦海中浮現出自己母親清晰的面孔，更能夠在腦海中浮現出自己的形象；也能夠輕易地在腦海中浮現出一個物體并在心里操控該物體做各種運動，例如旋轉；我們還能夠在腦海里回憶一段電影里的視頻或日常生活中的一個社交場景，這些均是 VI 心理活動。VMI 是 VI 中的一種，圖 4b 為被試在心里執行步行的 VMI 示意圖。
1.4 實際運動、動覺運動想象和視覺運動想象的比較
1.4.1 執行的差異
ME 是自己執行的顯式運動，自己和他人往往能夠觀察到該運動的外在表現，是長期大量訓練而習得的自然運動，已習慣或自動化了，容易執行，通常不需要投入過多的心理資源或腦力。與 ME 相比，KMI 和 VMI 都是內隱性或內源性的心理活動，即隱式的運動，自己和他人往往觀察不到該運動的外在表現。然而，KMI 和 VMI 是兩種不同的心理活動，KMI 是以第一人稱視角在心里感覺或排演一個實際運動過程但不顯示出來，而 VMI 則是以第三人稱視角在心里看到或回憶之前觀察到的運動畫面。表 1 列舉了 5 種運動的 ME、KMI、OOM 和 VMI 的執行比較。其中 OOM 為觀察運動（observation of movement），是指個體觀察特定肢體或身體其他部位運動的過程或計算機屏幕上顯示的特定肢體或身體其他部位運動過程的動畫或視頻[16]。
表1
5種運動的 ME、KMI、OOM 和 VMI 的執行比較
Table1.
Comparison for execution of ME, KMI, OOM and VMI of five kinds of movements
1.4.2 腦成像的差異
上述四種運動模式（ME、OOM、KMI 和 VMI）的執行在心理和行為上存在差異，這些執行上的差異會使它們的腦成像存在差異，在 MI-BCI 的研發中，需要特別注意這些差異。除了執行上的差異，不同肢體的不同運動方式或不同的運動學和動力學參數（如運動時間、運動路徑、運動速度和作用力等）也可能誘發不同腦區和腦網絡回路的激活[23,27]，如左、右腳 MI 的成像就有差異[28-29]。因此，在 MI-BCI 的研發中，需要指明參與運動的肢體和具體的運動方式和運動參數，即明確特定肢體的特定運動。
關于 MI 激活的腦區目前還沒有統一的結論，這是由于不同研究采用的實驗范式存在差異（MI 涉及的肢體不同，運動的方式也不同）。盡管如此，通過總結 MI 腦成像的相關文獻[30-32]，仍然可以發現一些目前已達成共識的激活腦區，如表 2 所示。
表2
ME、OOM 和 MI 激活的腦區比較
Table2.
Comparison for cortical activations of ME, OOM and MI
為了使讀者更好地理解表 2 的內容，圖 5 示意了 ME、OOM 和 MI 激活腦區的元分析[28]。
圖5
ME、OOM 和 MI 激活腦區的元分析
Figure5.
Meta-analyses of the cortical activations for ME, OOM and MI
從表 2 和圖 5 可以看出，MI 與 ME 激活的區域較為接近，這與許多已有研究的結果一致，即 MI 與 ME 具有相似的神經機制，都會誘發與運動相關的腦節律事件相關去同步（event-related desynchronization，ERD）[17]。需要注意的是，由于 MI 心理活動需要抑制實際運動的發生，因此，MI 與 ME 激活的腦區或腦網絡并不完全一樣。關于 MI 的神經機制，還有很多爭議的地方，如因腦區定義的不清晰而導致存在爭議的初級運動皮層[17]、早期視覺皮層[33]等。
如前所述，KMI 與 VMI 是兩種不同的心理活動，可以假定這兩種心理活動激活的腦區存在差異。歸納關于這兩種心理活動腦成像的研究，目前為止發現差異具有統計學意義的是：與 KMI 相比，在 VMI 期間，視覺皮層的活動抑制程度更高[30-31]。這也提示我們在研發 KMI-BCI 和 VMI-BCI 時，需要注意腦區激活和抑制的差異并選擇合適的電極。對這兩種不同的 MI 心理活動，未來需要深入研究它們的神經機制。
1.5 特別值得注意的問題
（1）MI 不是瞬間完成的，需要持續一段時間，著重感覺運動的過程，且 MI 過程的時間與相應的 ME 過程時間一致[34]。因此，無論是 KMI-BCI 還是 VMI-BCI，要求被試控制自己想象過程的時間要和相應的 ME 過程時間一致，避免倉促完成 MI 而導致 MI-BCI 性能降低。
（2）在構建 MI-BCI 過程中，既有構建基于 KMI 的 BCI，也有構建基于 VMI 的 BCI[35-36]。目前，對訓練有素的 MI 被試，KMI-BCI 的分類精度要高于 VMI-BCI 的分類精度[14]。盡管 VMI 要比 KMI 容易執行，但 VMI 的分類比 KMI 的分類挑戰性更大。
目前已有少量研究對 VMI-BCI 進行了探索[35-37]，但總體而言，實驗范式的設計尚存在局限，這嚴重影響了分類精度[24]。從這一方面來看，VMI-BCI 還需要更深入的研究。未來，VMI-BCI 需要精心設計 VMI 任務組，使得任務組相關的腦電特征具有顯著的差異，或者進一步提取具有可分性的特征。
（3）被試易把 KMI 執行為 VMI，反過來則較少。這是因為對大多數人來說，VMI 要比 KMI 容易執行。為了確保被試正確地執行 KMI 或 VMI，需要設計精確的實驗指導語（如左手食指輕敲的實驗指導語，可以參考表 1），并在實驗開始之前對被試進行離線訓練。例如，對于 KMI-BCI 實驗，可以先讓被試執行肢體或身體其他部位的實際運動，緊接著要求被試在心里排演或感覺實際運動的過程，重復訓練一定時間；對于 VMI-BCI 實驗，先讓被試觀看肢體或身體其他部位運動的過程，緊接著要求被試在心里回憶或看到之前觀看的運動過程畫面，重復訓練一定時間。
為評估被試是否正確執行 KMI 或 VMI 心理活動，可通過下文介紹的 MI 能力評估方法確定，如腦功能成像方法或神經反饋（neurofeedback，NF）可視化方法等。
（4）在 MI-BCI 范式創新設計時，可供考慮的建議：① 與單個肢體 MI 相比，涉及多個肢體參與的協調 MI 或復合 MI，具有重要的研究意義和價值，如圖 1 中的步行和穿針引線；② 與粗略的肢體 MI 解碼相比，更加精細的肢體 MI 解碼更具有挑戰性和價值，如不同手指的運動；③ 與識別參與 MI 的肢體類型相比，解碼 MI 的運動學參數（如運動時間、運動軌跡、運動速度）和動力學參數（如作用力的變化和加速度）更具有挑戰性和潛在的價值，如步行的速度、軌跡等[27]。
2 動覺運動想象和視覺運動想象能力的評估方法
一些被試 MI 能力較強，但也有一些被試 MI 能力較差或沒有 MI 能力（MI 盲[23]）。在 MI-BCI 的研發中，對被試 KMI 和 VMI 能力的評估至關重要，可以根據評估結果初步確定其是否有操控這一類 BCI 的潛在能力，也可為提高這類被試或用戶的 MI 能力提供方案。
盡管 MI 是一種主觀的心理體驗，但在過去的幾十年中，許多研究表明，對 MI 的能力進行客觀的評估和分析是可能的[38-40]。目前常用的 MI 能力評估方法有問卷調查法（或國際量表）[7,40]、心理測時法（mental chronometry）[34]、腦功能成像、NF [41]、心理旋轉法（mental rotation）[38,42]等。MI 是由一系列過程組成的，包括運動圖像（motor images）的生成、維持、操縱和可控性 [43-44]，這 4 個成分代表了 MI 的不同階段或維度[34,44]，并分別可以采用問卷調查、心理測時法、心理旋轉法和可控性測試進行評估[45]。
2.1 國際量表
迄今為止，有若干評估 KMI 和 VMI 能力的國際量表，有的量表針對健康個體，如運動想象問卷調查（Movement Imagery Questionnaire，MIQ）[46]；有的量表針對運動殘疾患者，如動覺和視覺想象問卷調查（Kinesthetic and Visual Imagery Questionnaire，KVIQ）[40]；有的針對 MI 的可控性，如運動想象的可控性測試（Controllability of Motor Imagery Test，CMI test）[47]；有的針對 MI 的生動性，如運動想象生動性問卷調查（Vividness of Motor Imagery Questionnaire，VMIQ）[48]。MI 能力的兩個關鍵特征是生動性和可控性[49]，MI 能力問卷調查量表主要圍繞這兩個關鍵特征進行評估。下面主要介紹常用的 4 種 MI 問卷調查量表。
2.1.1 運動想象問卷調查
MIQ[46]從視覺和動覺各 9 個任務項目評估被試的 MI 能力，采用 7 分制，是一種依賴被試自我報告的調查問卷形式。該問卷要求被試在 MI 前執行實際運動，并為被試提供 MI 指導語。由于 MIQ 需要參與者執行一些實際運動，在運動功能障礙人群中難以推廣，因此常用于健康人群和運動員。目前有 MIQ 和 MIQ-R 兩個版本。
2.1.2 運動想象生動性問卷調查
MI 的生動性及其評估很重要。VMIQ 旨在評估 MI 在視覺和動覺方面的生動性，其從第一人稱視角和第三人稱視角兩個角度評估被試的 MI 能力，每個角度各 24 個任務項目，采用 5 分制打分表，被試在 MI 評估之前無需進行實際運動。VMIQ 的打分機制如表 3 所示[48]。目前有 VMIQ 和 VMIQ-R[50]兩個版本。
表3
MI 的清晰度/生動性評價量表
Table3.
Explicit/Vividness evaluation scale of MI
對 VMIQ 的可靠性和有效性的研究表明，它是一種很有前景的方法，但該問卷目前的項目更側重于評估運動的 VI 而不是動覺想象（kinesthetic imagery，KI）的生動性[50]。然而，評估運動的 KI 生動性極為重要，因為在目前的 MI-BCI 研究中，主要采用的是 KMI，具有生動性的 KMI 可能會誘發顯著的 EEG 特征，有利于 KMI-BCI 的分類。此外，通常來說，KMI 不容易正確執行，往往缺少生動性，而 VMI 相對容易執行，其生動性較好，因此更需要側重評價 KMI 的生動性。
2.1.3 運動想象的可控性測試
CMI 是指被試根據順序運動的指示，自主地按順序想象操控自己肢體的能力，可以采用 CMI test 來評估這項能力[47]。CMI test 由 15 個不同的任務項目構成，每個任務項有 6 個想象控制項（即測試指導語）。表 4 為 CMI test 中 1 個任務的 6 個想象控制項示例。
表4
CMI test 中 1 個任務的 6 個想象控制項示例
Table4.
Examples of six imaginary controls of one task in CMI test
CMI test 要求被試想象一種基本的運動姿勢（即第 1 個想象控制項），然后根據實驗指導語依次想象控制或操縱該姿勢。在連續想象 6 個控制項后，要求被試從 6 個選項（包括 5 種不同的肢體姿勢和忘記選項，以圖片的形式展示）中選擇與內心想象的肢體姿勢相匹配的選項。被試完成 15 個任務項的測試，根據被試選擇的正確率來評估被試 MI 的可控性，準確率越高，說明被試對 MI 的控制性越好。
上述 MI 的可控性及其測試很重要，因為 MI 要求被試在心里排演相應的實際運動過程，想象該過程的順序控制和所需的時間要求與實際運動過程一致，良好的 MI 可控性可能誘發顯著的頭皮腦電（electroencephalography，EEG）特征，進而有利于 MI-BCI 的解碼。
2.1.4 動覺和視覺想象問卷調查
KVIQ[39-40,51]綜合了 MIQ 和 VMIQ 的優缺點（MIQ 評測前需要被試執行實際動作，不適合運動功能障礙患者，VMIQ 更側重 VI），問卷調查者根據被試執行 KMI 或 VMI 時的主觀感受進行評分。也就是在想象結束后，被試根據評分等級的評估詞，如“不能想象”或者“沒有感覺”等，向問卷調查者描述 VI 內容的清晰度和 KI 的感覺強度，然后由調查者按 5 分制進行評估，如表 5 所示[52]。被試在 KVIQ 評估之前無需進行 ME，因此，該問卷適合那些因故不能站立或執行復雜動作的人，如腦卒中患者[39,51]。目前，KVIQ 有 KVIQ-20 和 KVIQ-10 兩個版本，其中 KVIQ-20 有 20 個任務項目，而 KVIQ-10 只有 10 個任務項目，耗時短，常用于臨床。
表5
KVIQ 評分表
Table5.
Rating scales of the KVIQ
以上介紹的問卷調查評估方法具有一定的局限性，因為被試心理想象的過程和結果只有被試本人知道，實驗者無法知道，被試做出選擇的正確與否或評分依賴被試的判斷，具有一定的主觀性。而 NF 等評估方法可能在一定程度上克服這個局限。
2.2 心理測時法和心理旋轉
除了上述問卷調查法，還可采用心理測時法針對 MI 的執行時間來評估 MI 的能力[34]。此外，肢體的心理旋轉也是一種 MI，可以作為驅動 BCI 的一種心理任務，其往往與心理測時法相結合。
2.2.1 心理測時法
心理測時法是對人腦信息加工的時序或心理活動過程的精確測量[34]。執行心理任務所花費的時間反映出該心理任務的認知過程，心理測時法可評測認知加工速度。認知加工速度常采用反應時間（reaction time，RT）衡量，RT 為從刺激（如視覺或聽覺）或提示出現到被試做出反應所需的時間。心理測時法通常采用基本的、簡單的認知任務，包含的心理過程或操作數量相對較少，RT 為毫秒級。
MI 是一個過程，往往不是瞬間就完成的，需要花費一定的時間，因此心理測時法可以作為評估被試 MI 能力的一個指標[53-54]。在周期性的運動中，MI 和相應 ME（如抓握、書寫和跑步）的持續時間相一致[34]，因此被試執行 MI 的持續時間與相應實際運動的持續時間越接近，表明該被試的 MI 能力越強。MI 能力的心理測時法是對 MI 感知加工速度的測量，執行 MI 所花費的時間反映出該心理任務的感知過程。
MI 的 RT 可以這樣測量：提示 MI 開始的時刻與 MI 結束時被試的按鍵反應時刻之差，該時間反映了在心里排演一個實際運動的感知過程或處理速度。
2.2.2 心理旋轉
心理旋轉是一種在心里操控物體旋轉的認知任務，要求被試“旋轉”二維或三維物體的心理表示[55]。研究表明肢體某部分或整體（不一定是被試的）的心理旋轉過程也會使被試的相應肢體參與心理旋轉運動[38]，這提示我們，在運動功能障礙康復訓練的 BCI 研發中，可以設計肢體的心理旋轉作為驅動 BCI 的一種心理任務，把肢體的旋轉圖像先呈現給被試，然后讓被試在心里旋轉該肢體。
由上可知，心理旋轉是一種心理任務，而心理測時法是一種測量心理加工速度的方法，心理旋轉因其可操控性，可作為心理測時法的心理任務，因此通常把心理旋轉和心理測時法結合起來進行研究和應用。作為具體應用，肢體的心理旋轉及其心理測時法評估通常分以下幾個認知階段：① 從所要求的角度在心里創建肢體旋轉的圖像（旋轉的起始位置）；② 在心里旋轉肢體圖像，直到可以進行比較（旋轉的目標位置）；③ 執行比較；④ 確定肢體的心理旋轉角度是否達到要求；⑤ 做出決策（按下按鈕時記錄 RT）。被試完成肢體心理旋轉的反應時間越短，準確率越高，表明被試的 MI 能力越好[38]。
2.3 腦功能成像
MI 期間的腦成像特征可以作為評估 MI 能力的一種客觀指標。目前，常用的腦成像方法有 EEG[16]、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）[56-58]、功能性近紅外光譜成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）[59]等。其中 fMRI 具有較高的空間分辨率[56-57]，可以定位特定感覺、知覺或認知任務下大腦的功能激活分布[58]，因此可以用來評估 MI 期間大腦激活的分布特征。一種可選的方法是，首先在被試 KMI 和 VMI 任務態期間進行 fMRI 成像并提取特征，然后以具有較強 MI 能力被試的 fMRI 成像特征作為參考來比較，如果具有可比性，可評估為具有較強的 MI 能力，如果沒有可比性，可評估為 MI 能力較差[60]。
除此而外，也有研究采用靜息態下的 fMRI 和 EEG 成像來評估 MI 能力[61]，但這兩種方法不是在 MI 任務態下進行評估，可作參考。
2.4 神經反饋
NF 是生物反饋的一種，有若干可以實現 NF 的腦信號采集方法［如 EEG、fMRI、fNIRS[59]和神經元脈沖發放（Spikes）等］，其中 EEG 具有較高的時間分辨率，基于 EEG 的 NF 可以在線實時可視化呈現被試大腦活動的分布特征[62]，如 MI 期間大腦活動分布特征的實時呈現。
如前所述，MI 是一種隱式的運動或心理活動，實驗者無法直接得知被試想了沒有以及想象如何，也觀察不到該運動的外在表現，因此難以評價被試 MI 的能力或表現[27]。然而，MI 期間的 EEG-NF 能夠可視化地顯示 MI 誘發的 EEG 特征，因此，EEG-NF 可以作為評估被試 MI 能力的一種方法，具有一定的客觀性。利用 EEG-NF 評價 MI 能力的一種可選方法是，通過呈現被試的 MI 腦電特征分布的地形圖、分類結果或控制外部設備的效果，以此作為評價被試 MI 的能力。
2.5 事件相關同步/去同步
在執行左右手 MI 時，對側感覺運動區 EEG 中 μ 頻段和 β 頻段出現振幅降低，即 ERD，表示該運動區激活。同時，同側感覺運動區 EEG 中 μ 頻段和 β 頻段出現振幅增加，即事件相關同步（event-related synchronization，ERS），表示該運動區去激活[59]。基于 MI 的 BCI 主要利用這一差異對 MI 任務進行解碼[29]。ERD/ERS 可以用來反映被試腦區的激活強度[63]，通過觀察 ERD/ERS 特征是否穩定來判斷被試 MI 能力。
3 動覺運動想象和視覺運動想象能力的提高方法
目前，要能夠或熟練操控 BCI 系統，通常需要掌握操控 BCI 系統的技能，這種技能可以通過訓練獲得。有研究表明，被試或用戶需要學會調節或控制自己的腦活動以產生差異顯著的特定 EEG 成分，從而驅動 BCI 系統，該研究認為 BCI 技術依賴于個體自主和可靠地產生腦電活動變化的能力[64]。
迄今為止，MI 是 BCI 中最常用的任務，然而，MI-BCI 的性能嚴重依賴被試或用戶的 MI 能力或表現，為提高該類 BCI 系統的操控性，被試或用戶需要接受一定量甚至是大量的訓練。無論是 KMI-BCI 還是 VMI-BCI，均需要相應提高 KMI 和 VMI 的能力。
3.1 動覺運動想象能力的提高方法
通常采用兩種方法提高 KMI 能力：離線訓練和 NF 訓練。
3.1.1 離線訓練
被試離線操控 BCI 系統，首先以特定的肢體（需要明確參與運動的肢體，如右手食指）和運動方式（需要明確運動方式，如輕敲、屈伸或按壓）及運動參數［需要明確運動參數，如輕敲或屈伸的速度（0.5 Hz/1 Hz/2 Hz 等）、按壓力的大小（如最大/中等/最小等）］執行實際運動，獲得 ME 過程的體驗，然后在心里排演或模擬剛才執行的 ME 過程，但不發生實際運動[27,65-67]，要求 KMI 過程與 ME 過程所用時間一致。重復以上過程，通過一定的訓練量，直到獲得一定程度的 KMI 生動性和可控性，訓練后填寫 KMI 能力問卷調查表進行評估[68]。
特別值得注意的是，不同的肢體以不同的運動方式和運動參數進行運動，其誘發的腦信號可能不完全相同，對應的 KMI 相關的腦信號也可能不完全相同[27]。經離線訓練后具有一定 KMI 能力的被試可作為 MI-BCI 的候選被試，其他被試可以排除。由于此種方法是離線訓練，提高 KMI 的能力有限[69]，訓練后的問卷調查評估具有一定的主觀性，可能納入或排除了不合適的被試。
3.1.2 NF 訓練
NF 除了可以作為評估被試 MI 能力的一種方法，還可以作為訓練并提高被試 MI 能力的手段，它是一種在線訓練方法。有研究表明，被試可以通過腦電 NF 學習調節感覺運動皮層的電活動[70]，這樣自我誘發的腦電變化可以作為 BCI 的控制信號[62]。在反饋調節 KMI 期間，所有被試在對側中央區域均出現顯著的 ERD，與無反饋的初始對照實驗相比，ERD/ ERS 顯示出增強的半球不對稱性，NF 訓練后，所有被試的分類準確率達到 85%～95%[71]。其他 MI-BCI 研究[69,72]也表明 NF 訓練可以在一定程度上提高被試的 MI 表現或能力。
用 NF 訓練提高被試 MI 的能力，通常的方法是：被試根據計算機顯示器上呈現的視覺提示執行相應的 KMI 運動。被試 KMI 任務的表現由設計的反饋形式（如反饋條[73]、腦激活地形圖[74]、控制光標移動[75]、控制移動機器人[8]、控制機械臂[76]、控制智能小車[72]、控制簡單有趣的游戲[77]等）在線實時可視化呈現，這些反饋形式代表了當前的腦電模式。被試根據 NF 呈現的結果可以了解自己的 KMI 表現，同時可以調整自己的 KMI 心理策略，直到看到滿意的反饋結果[15]，通過這樣的 NF 訓練，找到適合自己的 KMI 執行方式，從而提高自己的 KMI 能力。圖 6 為 MI-BCI 控制機器人的神經反饋訓練示意圖。
圖6
KMI-BCI 控制機器人的神經反饋訓練示意圖
Figure6.
Schematic diagram of neurofeedback training for KMI-BCI controlled robot
與離線訓練方法相比，NF 訓練方法的獨特優勢是在線實時學習和調節，把隱式的 KMI 心理活動以可視化的反饋形式呈現出來，即“所想即所見”，從而提高 KMI 表現。
3.2 視覺運動想象能力的提高方法
對被試的 VMI 進行提高，可以先為被試示范相應的動作，或者播放演示動作的視頻，然后要求被試在內心可視化之前觀看到的肢體動作[68]。即被試先仔細觀察運動過程和細節，進行記憶（情景記憶），然后在腦海中回憶觀察到的運動過程（情景回憶）。對于大多數人，無需訓練即可獲得正常的 VMI 能力，并且該能力比 KMI 能力強[45]。
3.3 冥想訓練
冥想是一種提高正念和意識的心理訓練方法，對人的精神狀態有積極作用。冥想訓練也是提高 MI 能力的一種方法，因為冥想可增強注意力和控制腦節律[78-79]。如在使用 MI 控制一維和二維光標的任務中，冥想者的表現均優于無冥想經驗者，并且在冥想者組中，BCI 盲的人數較少[78]。最后，對冥想組和無冥想經驗組進行神經生理學分析，結果表明冥想者在任務期間的靜息感覺運動節律預測因子更高，靜息態 μ 節律更穩定，并且控制信號比對照組更強[78]。值得一提的是，冥想訓練和 MI-BCI 是相互促進的，MI-BCI 也可以提高冥想者的專注度[80]。
4 BCI 中運動想象的執行、能力的評估和提高方法：未來的趨勢
4.1 MI 的自動化執行、實時可視化客觀評估和高效的神經反饋訓練
4.1.1 BCI 中 MI 的執行：訓練直到自動化
無論采用 KMI 還是采用 VMI 心理活動驅動 MI-BCI 系統，在最初階段都需要正確的指導語來指導被試正確地執行這兩種心理活動，以誘發出期望的腦信號特征。隨著被試操控 MI-BCI 系統經驗的積累，可通過操作性條件反射訓練找到適合他自己的 MI 心理策略，甚至可望達到不需要投入過多的腦力資源，也能自動化地執行 MI，并很好地操控 MI-BCI[64]。
4.1.2 BCI 中 MI 能力的評估：在線實時可視化的客觀評估
由于 MI 是一種隱式的心理活動，被試和實驗者均難以顯式地進行監測或評估，為此需要采用腦成像的方法把 MI 期間激活的腦區分布或腦網絡特征（定量指標）可視化地呈現出來。除此而外，離線的問卷調查存在一定的主觀性，為彌補此缺點，需要在線實時、定量、客觀地評估 MI 表現。總之，未來需要研發客觀的、定量的 MI 能力評估方法。
4.1.3 BCI 中 MI 能力的提高：在線實時高效的 NF 訓練方法
為提高被試 MI 的能力，離線訓練可以作為初級階段的訓練，進一步的訓練則需要通過 NF。基于精準的時-頻-空特征［精準的腦區（對應電極）、精準的頻率、精準的時間］NF 調節訓練是未來的一個研究方向。這種訓練需要對 MI 相關腦區［KMI 激活的感覺運動區、VMI 激活的額葉和頂枕區（與電極位置對應）］的神經振蕩頻段或頻率（如 μ、β 和 γ 節律）的功率、運動相關電位的成分進行精準的調節。
除上面精準特征的 NF 調節外，NF 的形式設計也很重要，反饋信號豐富的視覺再現可以促進被試的學習，并且呈現 NF 內容的可視化界面要求易理解、直觀和美觀。總之，NF 的內容和形式要求能夠集中被試的注意力，如可以將 MI-BCI 和虛擬現實（virtual reality，VR）相結合，構建高度逼真、沉浸感強的 NF 訓練系統[81]，這樣訓練效果可能會更好。因此，未來需要研發新的、更有效、訓練時間短（5～10 min）的 MI 能力提高方法。
4.2 個體之間和內部 MI 的差異性、共性和 MI-BCI 盲問題
4.2.1 個體之間和內部 MI 的差異性、共性問題
充分考慮個體之間 MI 誘發腦信號的差異性，需要為特定個體定制 MI-BCI 系統；另一方面，也要考慮個體之間 MI 誘發腦信號的共性，可以采用遷移學習[11,82]構建具有一定通用性的 MI-BCI 基本模型。除此而外，還要充分考慮個體內部不同時間段 MI 的差異和共性，可以采用自適應的機器學習算法[83]、自適應的通道選擇[84]和深度學習[85]等方法進行優化。
4.2.2 MI-BCI 盲
沒有 MI 能力或經過 MI 能力提高訓練之后其 MI 表現依然較差的被試，可建議不選用 MI-BCI 系統，而是考慮其他類型的 BCI 系統。通過 MI 能力提高訓練后，原來 MI 能力較差的被試如 MI 表現提高了，則可以考慮采用 MI-BCI 系統。
5 結束語
MI-BCI 是一種重要的 BCI，其中 MI 心理活動的正確執行、能力的評估和提高方法對該類 BCI 具有重要的作用。本文闡述了與 MI-BCI 相關的 ME、KMI 和 VMI 的執行，進而對它們進行了比較，并指出需要特別注意的問題。接著論述了 KMI 和 VMI 能力的評估方法，包括評估二者能力的國際量表，主要是 CMI test、VMIQ 以及 KVIQ；還介紹了心理測時法、腦功能成像以及 NF 評估 MI 的能力。然后，概述了 KMI 和 VMI 能力的提高方法，包括離線訓練、在線 NF 調節訓練和冥想訓練。最后指出 MI-BCI 中 MI 執行、能力的評估和提高方法是未來需要進一步研究的問題。希望本文能夠啟示和促進 MI-BCI 系統的研發并走向實用化。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
