神经工程导论（本科/生物医学工程）

神经工程是一个多学科交叉融合的新兴领域，它融合神经科学和工程学方法分析神经功能，解决与神经科学相关的问题，并为神经系统的康复，以及健康人的机体功能提升提供有效的解决方案。神经工程虽是一门十分年轻的学科，未来必将是中国脑计划、“十四五”规划中脑科学领域实施前瞻性、战略性国家重大科技项目中不可或缺的部分。然而目前缺少对神经工程方向系统介绍的教材，同时为推动学科的发展，完善国内相关学科方向教材体系，为我国在神经工程领域开展人才培养和教学实践开展提供有力保障，本教材应运而生。
本教材按照国家卫生健康委员会与高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会规划的首套生物医学工程专业系列教材的要求进行编写。教材内容编写力图做到体现时代性、前沿性、先进性和科学性，让读者既能系统了解该领域的基本概念、基本原理及相关的技术，又能把握该领域内前沿应用。教材编写过程中得到了众多院校专家的支持，由国内多所高校从事神经工程领域研究且教学经验丰富的教师和研究人员共同编写而成。教材的编写得到了中国工程院顾晓松院士及清华大学高上凯教授的大力支持，特邀请两位专家担任教材主审。
全教材共分为九章。第一章绪论，由西南科技大学张杨松和电子科技大学尧德中共同编写；第二章神经系统概述，由西安交通大学王珏和李延海共同编写；第三章认知与心理，由重庆大学侯文生和陆军军医大学何谐编写；第四章神经系统的病理基础，由南开大学杨卓、天津医科大学赵景霞和天津大学张引国共同编写；第五章神经康复基础，由西安交通大学王珏、陈艳妮和中山大学窦祖林共同编写；第六章神经电信号及其检测分析方法，由浙江大学封洲燕编写；第七章神经功能成像基础，由电子科技大学罗程和尧德中共同编写；第八章神经调控基础，由重庆大学侯文生和陈琳编写；第九章神经工程技术及应用，由天津大学明东、昆明理工大学伏云发、河北工业大学徐桂芝、天津大学倪广健、上海大学杨帮华和上海交通大学吕宝粮共同编写。教材由明东和尧德中最终统稿。
教材的编写和出版受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及天津大学研究生创新人才培养项目等的共同支持，教材编写中也参考和引用了众多学者的研究成果，所参阅的主要文献资料均已在书后列出，作者向项目资助及相关研究者表示衷心的感谢。教材编写中得到高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会和人民卫生出版社的大力支持和帮助，在此一并致谢！
本教材配套教学资源丰富，每章附有复习思考题，配套附有数字资源如教学课件、同步练习，供读者选用。本教材适用于生物医学工程类专业以及与生物医学工程专业相关的交叉专业本科生及研究生作为神经工程学相关课程教材，也可作为所有对该领域感兴趣的科研与工程技术人员的入门参考书。
全体编写和审定人员为本教材的定稿付出了辛勤的劳动，在此表示衷心感谢。由于神经工程学是一门新兴且多学科交叉的学科，发展迅速，很多内容还在逐步完善的过程中，限于编者水平，本教材难免有不足之处，恳请读者批评指正，以求后续予以修正和补充。
明 东 尧德中
2021 年6 月

我社与生物医学工程专业教学指导委员会共同调研、反复论证后确定本套教材品种，共同遴选主编。得到国内近百所院校的响应与支持参与。
1.国内首套生物医学工程专业国家级规划教材，教指委主导，代表全国生物医学工程专业水平；
2.近百所医学及理工科院校参与，具有相当的行业普遍性；
3.基于生物医学工程专业培养目标出发，体现教材三基五性三特定原则；
4.以融合教材形式呈现，纸书更加精炼明晰，数字部分呈现生物医学工程专业特点。

2010年度“新世纪优秀人才”，天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选；天津大学研究生院学科建设办公室主任，天津大学生物医学工程系Chair Professor（系主任），天津大学神经工程与康复实验室主任、神经工程研究团队学术带头人；九三学社天津大学委员会主任委员；天津市南开区政协科技委副主任；天津大学青年教师联谊会理事长；天津大学科协副主席

第一章 绪论 /1
第一节 神经工程概述 / 1
一、 神经工程的基本概念 / 1
二、 神经工程系统的基本构成 / 2
三、 神经工程的分类及简介 / 4
第二节 神经工程的研究与应用范畴 / 8
一、 神经工程的研究范畴 / 8
二、 神经工程的应用范畴 / 10
第三节 神经工程的未来发展方向 / 12
本章小结 / 13
思考题 / 14
第二章 神经系统概述 /15
第一节 神经系统的基本组织结构 / 15
一、 中枢神经系统 / 15
二、 周围神经系统 / 33
三、 神经传导通路 / 39
第二节 神经元和胶质细胞的基本结构与功能 / 43
一、 神经元的结构与功能 / 44
二、 神经胶质细胞的结构与功能 / 46
第三节 神经元间的信息传递 / 48
一、 突触的类型 / 48
二、 电突触的结构与特征 / 48
三、 化学性突触的结构及分类 / 49
四、 化学性突触的传递过程、调节及特征 / 50
五、 突触后电位 / 52
第四节 神经元的联系方式与整合机制 / 53
一、 神经元的联系方式 / 53
二、 整合机制 / 54
本章小结 / 56
思考题 / 57
目 录/ / 12
第三章 认知与心理 /58
第一节 认知心理概述 / 58
一、 认知心理学发展 / 58
二、 认知神经心理主要假说 / 59
三、 认知心理学的主要观点及研究方法 / 60
四、 认知心理的偏侧化效应及其影响因素 / 61
第二节 认知心理的信息加工机制 / 62
一、 认知心理的信息系统组成 / 62
二、 认知心理信息加工过程 / 63
三、 认知心理的整合与相互作用 / 65
第三节 神经工程的人机交互认知心理效应 / 67
一、 神经刺激的感觉心理效应 / 67
二、 人机交互的脑力负荷 / 70
三、 注意与情绪的神经调控 / 71
第四节 认知神经心理测评 / 72
一、 认知神经心理评估的基本概念 / 72
二、 常用认知神经心理测量方法 / 73
三、 测量结果的解释 / 74
本章小结 / 76
思考题 / 76
第四章 神经系统的病理基础 /77
第一节 概论 / 77
第二节 中枢神经病理 / 77
一、 中枢神经损伤的病因和分类 / 78
二、 中枢神经损伤的病理特征 / 78
三、 中枢神经损伤的修复 / 81
第三节 周围神经病理 / 81
一、 周围神经损伤的病因和分类 / 81
二、 周围神经损伤后的病理变化 / 84
三、 周围神经损伤的功能检测和修复 / 86
第四节 自主神经生理与病理 / 89
一、 中枢神经系统对内脏活动的调节 / 89
二、 自主神经功能紊乱 / 92
三、 自主神经损伤病理 / 93
四、 自主神经功能检测 / 93
第五节 神经心理疾病 / 94
一、 神经心理学概述 / 94
二、 神经心理疾病种类 / 94
本章小结 / 98
思考题 / 99
第五章 神经康复基础 / 100
第一节 神经再生与修复/ 100
一、 中枢神经系统的再生与修复 / 100
二、 周围神经系统的再生与修复 / 102
三、 神经干细胞与神经再生修复 / 103
四、 生物组织工程与神经再生修复 / 105
第二节 神经系统的可塑性 / 107
一、 神经系统可塑性的理论机制 / 108
二、 中枢神经系统损伤后的可塑性 / 109
三、 周围神经损伤后的可塑性 / 111
四、 老年人神经系统的可塑性 / 112
五、 增强神经可塑性的康复治疗方法 / 112
六、 丰富环境 / 114
第三节 感觉与运动控制理论 / 114
一、 运动控制概述 / 114
二、 神经肌肉的运动控制理论 / 115
三、 与动作控制有关的理论 / 117
四、 运动控制检测技术 / 119
五、 运动控制的实践应用 / 121
本章小结 / 122
思考题 / 123
第六章 神经电信号及其检测分析方法 / 124
第一节 神经电生理的理论基础 / 124
一、 细胞膜的组成结构和基本电特性 / 125
二、 细胞膜的静息电位和动作电位 / 129
第二节 细胞膜离子通道的理论模型 / 132
一、 离子通道模型的建立 / 132
二、 HH 离子通道模型的仿真 / 138
三、 HH 离子通道模型的应用 / 142
第三节 神经电信号的检测方法 / 144
一、 不同层次脑神经系统电信号的检测 / 144
二、 微电极阵列记录技术 / 146
三、 神经元锋电位信号的检测和分类 / 148
第四节 神经电信号的分析方法 / 154
一、 神经元脉冲序列的分析方法 / 154
二、 脑电图EEG 的分析方法 / 161
本章小结 / 164
思考题 / 165
第七章 神经功能成像基础 / 166
第一节 功能磁共振成像原理与计算 / 166
一、 BOLD-fMRI 成像基础 / 167
二、 BOLD-fMRI 数据分析基础 / 167
三、 静息态fMRI 计算 / 169
四、 任务态fMRI 计算 / 172
第二节 PET/SPECT 成像原理与计算 / 177
一、 PET 神经成像原理基础 / 177
二、 SPECT 神经成像原理 / 178
三、 PET/SPECT 神经成像分析及临床应用 / 180
第三节 影像脑网络分析方法 / 183
一、 脑网络分析概述 / 183
二、 脑结构网络分析方法 / 185
三、 脑功能网络分析方法 / 187
四、 脑功能有向连接分析方法 / 190
第四节 多模态成像分析方法 / 193
一、 多模态成像分析概述 / 193
二、 非对称的多模态成像融合技术 / 196
三、 对称多模态成像融合技术 / 200
四、 多模态网络融合技术及融合评估技术 / 201
本章小结 / 205
思考题 / 205
第八章 神经调控基础 / 206
第一节 神经调控概述 / 206
第二节 神经电刺激 / 207
一、 电刺激与神经响应 / 207
二、 功能性神经电刺激 / 207
三、 治疗型神经电刺激 / 210
第三节 神经磁刺激 / 213
一、 磁场对神经的调控 / 213
二、 经颅磁刺激 / 215
三、 聚焦经颅磁刺激技术 / 218
第四节 神经光刺激 / 219
一、 光基因及神经调控 / 220
二、 近红外神经刺激 / 220
本章小结 / 223
思考题 / 223
第九章 神经工程技术及应用 / 224
第一节 脑- 机接口技术及应用 / 224
一、 脑- 机接口技术：变革性的人机交互 / 224
二、 脑- 机接口范式 / 227
三、 脑- 机接口技术的应用领域 / 232
四、 脑- 机接口未来的发展趋势 / 233
第二节 神经形态芯片 / 234
一、 神经形态芯片基本知识 / 234
二、 CMOS 神经形态芯片 / 236
三、 FPGA 数字神经形态芯片 / 237
四、 忆阻器神经形态芯片 / 240
五、 光子神经形态芯片 / 243
六、 石墨烯电容器 / 244
第三节 神经假体 / 245
一、 神经假体概述 / 245
二、 视觉神经假体 / 245
三、 听觉神经假体 / 249
第四节 神经工程在神经系统疾病的诊治方面的应用 / 251
一、 疾病的监测 / 252
二、 疾病的诊断 / 254
三、 疾病的康复治疗 / 255
第五节 基于脑电和眼电信号融合的警觉度估计 / 263
一、 引言 / 263
二、 警觉度 / 264
三、 警觉度标注 / 265
四、 警觉度估计 / 265
五、 跨被试者警觉度估计 / 269
本章小结 / 275
思考题 / 275
推荐阅读 / 276
中英文名词对照索引 / 278

本教材按照国家卫生健康委员会与高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会规划的首套生物医学工程专业系列教材的要求进行编写。教材内容编写力图做到体现时代性、前沿性、先进性和科学性，让读者既能系统了解该领域的基本概念、基本原理及相关的技术，又能把握该领域内前沿应用。神经工程是一个多学科交叉融合的新兴领域，它融合神经科学和工程学方法分析神经功能，解决与神经科学相关的问题，并为神经系统的康复，以及健康人的机体功能提升提供有效的解决方案。神经工程虽是一门十分年轻的学科，未来必将是中国脑计划、“十四五”规划中脑科学领域实施前瞻性、战略性国家重大科技项目中不可或缺的部分。然而目前缺少对神经工程方向系统介绍的教材，同时为推动学科的发展，完善国内相关学科方向教材体系，为我国在神经工程领域开展人才培养和教学实践开展提供有力保障，本教材应运而生。