| 课程号 |
04835650 |
学分 |
2 |
| 英文名称 |
Brain-Machine Interfaces and Bioelectronics: From Principles to Applications |
| 先修课程 |
无 |
| 中文简介 |
本课程将通过理论讲授与案例分析，使学生对脑机接口的基础原理、硬件体系以及国内外的最新研究成果以及发展动态有深入的了解；在掌握常规侵入式与非侵入式神经电极设计及制造要点的同时，了解光遗传学、无创脑磁、无创超声等前沿方向在脑机接口中的应用探索；并通过对医疗、教育、娱乐领域典型场景的简要讨论，结合课程尾声对于技术伦理和产业趋势的思考，引导学生在科研与实践中保持多学科视角和责任意识。通过课堂讲解、案例研究和实验实践的教学模式，学生将有机会亲手制作传感器，体验脑机接口技术，真正理解生物电子技术的潜力。
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| 英文简介 |
This course provides students with an in-depth understanding of the fundamental principles and hardware architecture of brain-computer interfaces, as well as the latest research findings and developments both in China and abroad, through theoretical lectures and case analyses. While mastering key considerations in the design and fabrication of conventional invasive and non-invasive neural electrodes, students will also be introduced to cutting-edge directions such as optogenetics, non-invasive magnetoencephalography (MEG), and non-invasive ultrasound in brain-computer interface applications. In addition, by examining typical use cases in the medical, educational, and entertainment sectors—and concluding with reflections on technological ethics and industry trends—the course aims to guide students toward a multidisciplinary perspective and a strong sense of responsibility in both research and practice. Through a teaching model that integrates classroom instruction, case studies, and hands-on experiments, students will have the opportunity to fabricate sensors themselves, gain firsthand experience with brain-computer interface technology, and truly appreciate the potential of bioelectronics. |
| 开课院系 |
信息科学技术学院 |
| 成绩记载方式 |
百分制 |
| 通识课所属系列 |
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| 授课语言 |
中文 |
| 教材 |
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| 参考书 |
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| 教学大纲 |
教学目标是培养学生综合运用电子工程原理与交叉科学知识解决实际问题的能力，旨在帮助学生系统了解脑机接口技术在神经科学、材料学、微电子等多学科交叉领域的前沿进展与关键应用实践，涵盖侵入式与非侵入式脑机接口硬件、柔性电极的设计与制备、光遗传学和无创脑磁(MEG)及超声等新兴方向，并通过多次实验实践锻炼学生的实验动手能力和综合创新思维，同时引导他们关注脑机接口技术的产业趋势、伦理法规与社会影响。
第1讲（4学时）：脑机接口概论与课程导入
主要内容：
1. 课程总体介绍：目标、内容结构、考核方式
2. 脑机接口（BCI）的基础概念、历史发展与跨学科特征
3. 典型应用场景与案例分享：医疗康复、娱乐交互、教育监测等
4. 国内外脑机接口研究与产业化现状概览
教学要点：
1. 帮助学生了解课程范围、掌握 BCI 的宏观背景与多领域影响
2. 引发对后续学习内容和实践环节的兴趣
第2讲（4学时）：神经科学基础
主要内容：
1. 神经元与突触传递的生理机制
2. 大脑分区与功能
3. 典型神经信号类型及其生理基础
4. 临床与科研中常见脑电/脑磁/神经影像采集方式的概念性介绍
教学要点：
建立对神经系统工作机理的基础认知，为后续电极设计与神经调控讨论打下生物学基础
第3讲（4学时）：脑机接口硬件与多模态非侵入式技术
主要内容：
1. 脑机接口硬件体系
2. 无创脑机接口设备常见类型：
？ EEG（头戴式）、**MEG（脑磁图）**原理与设备特点
？ 无创超声在脑成像/神经调控中的尝试
？ 近红外成像 (fNIRS) 概念概览
3. 各种无创方法在空间分辨率、便携性、成本与安全性等维度的比较常见商用/研究型设备特点
第4讲（4学时）：侵入式脑机接口的设计与制备
主要内容：
1. 侵入式BCI主要类型
2. 电极种类及材料
3. 制造技术
4. 植入式电极在临床与科研应用的核心挑战
第5讲（4学时）：柔性脑机接口技术
主要内容：
1. 柔性电极的概念、优势
2. 新型柔性材料
3. 柔性脑机接口制备工艺
4. 在神经科学及临床应用中的前沿进展
第6讲（2学时）：光遗传学、神经调控与前沿技术
主要内容：
1. 神经调控手段：TMS（经颅磁）、tDCS（经颅直流刺激）等硬件原理
2. 光遗传学(Optogenetics)：利用光敏通道蛋白对神经元进行激活/抑制的基本原理
3. 光遗传设备的硬件构成：光源、光纤植入、驱动系统
4. 闭环与双向 BCI：实时“读脑”和“写脑”的工程难点及典型案例
5. 其它前沿探索：脑超声调控、基因编辑对脑机接口的潜在影响
第6讲（2学时）：BCI 应用、伦理与未来展望
主要内容：
1. BCI 在医疗康复中的典型应用：中风康复、假肢控制、语言沟通辅助
2. 教育与娱乐场景：脑控游戏、注意力监测头环、VR/AR 脑机交互
3. 伦理与法律：脑数据隐私、安全、医疗器械审批、行业标准
4. 社会影响：技术滥用风险、公众接受度、科幻与现实边界
5. 产业与投资趋势：代表性初创公司、专利布局、商业化难点
第7-10讲（16学时）：柔性神经电极阵列设计、制备与验证
主要内容：
1. 柔性神经电极设计与柔性材料准备
2. 柔性神经电极微纳加工
3. 柔性神经电极电学性能、机械性能测试及其在手势识别中的应用
4. 实验总结与汇报
65%的课堂讲授与30%的实验实践相结合，同时加入约5%的学生讨论和报告
最终成绩由课堂考勤及课堂表现、平时作业、实验课实践表现和报告成绩组合而成。各部分所占比例如下：
a.课堂考勤及课堂表现：10%，主要考核学生的出勤、积极性。
b.平时作业：40%，主要考核学生利用知识点分析问题的能力。
c.实践部分成绩：50%，主要考核学生的动手实践能力，开展实验前预习实验、实验过程中分析解决问题和观察以及实验结束后分析数据的能力；表达能力和结合实践运用知识能力，以及逻辑思维能力。
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| 教学评估 |
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