小幅度眼球运动对耳廓肌群的系统性影响及其在人机交互中的潜在干扰作用

《IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems》：The Interplay between the Oculomotor and Auriculomotor System: Implications for Human-Machine Interfaces

本研究针对人机交互（HMI）中耳廓肌群（如PAM、SAM、TAM、AAM）控制信号易受小幅度眼球运动（<±35°）干扰的问题，通过记录27名参与者的肌电图（EMG）数据，发现多数耳廓肌在<35°的眼球偏转中活动显著增强（增幅约5%-10%），且呈现同侧优势。结果表明，基于机器学习或自动化算法的耳廓肌HMI系统需将小幅度系统性眼球运动视为潜在干扰因素，以提高控制精度与训练有效性。

　　

在人类进化历程中，耳廓的主动定向能力被认为已于2500万年前退化，仅以“神经化石”的形式残存于部分人群（约18%-22%）。然而，正是这种看似原始的耳廓肌（Auricular Muscles）自主收缩能力，因其能产生强度高、稳定性好的电信号，近年来被广泛探索用于人机交互（Human-Machine Interfaces, HMI）控制通道。尤其对于脊髓损伤患者，耳廓肌由面神经支配，不受脊髓病变影响，且其表面肌电（Electromyography, EMG）信号幅度（约50μV RMS）远高于脑电图，加之电极可隐匿布置于耳周（如后耳肌PAM位于耳后乳突，与助听设备位置重合），使其成为理想的无干扰控制信号源。已有研究成功利用耳廓肌实现虚拟光标操控、轮椅导航、假手旋转等复杂任务。

然而，一个长期被忽视的关键问题悄然浮现：当使用者通过注视屏幕按钮或转向目标方向来操控设备时，是否会因小幅度、系统性的眼球运动，无意中激活耳廓肌，从而干扰甚至“伪造”出看似自主的肌电信号？早在1908年，Wilson便描述了大角度水平凝视（即威尔逊眼耳现象）会引发耳廓肌不自主共激活，但其在小幅度眼动（<35°）下的效应，尤其是在真实HMI应用场景中，却鲜有系统探究。既有研究多聚焦于极限凝视（如70°以上），样本量小（甚至仅1-2人），且缺乏对多耳廓肌群的同步量化分析。这种认知空白可能导致HMI系统误将眼动引发的肌电噪声识别为有效指令，或使训练者在学习耳廓肌自主收缩时，不自觉地依赖眼球偏转而非真正肌群控制。

为填补这一空白，Andreas Schroeer团队在《IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems》上发表研究，首次系统评估小幅度水平眼球运动（<±35°）对四种主要耳廓肌——后耳肌（PAM）、前耳肌（AAM）、横耳肌（TAM）、上耳肌（SAM）——的EMG影响。研究通过设计固视任务（凝视±35°目标）和平滑追踪任务（跟踪0.25Hz/0.125Hz水平振荡点），结合高精度肌电与眼电（HEOG）记录，旨在揭示在真实HMI场景下，眼动对耳廓肌信号的潜在干扰强度与模式。

研究团队招募27名参与者（分青年组与老年组），在隔音立方体内通过下巴托固定头部，以最大限度减少头动干扰。关键实验任务包括：固视任务（白点在0°、+35°、-35°间跳变，各位置停留2秒，重复20次）与平滑追踪任务（白点以0.25Hz和0.125Hz频率在±35°间正弦振荡，各10周期）。采用被动Ag/AgCl电极记录双侧PAM、AAM、TAM、SAM的肌电信号，同时采集额肌（Frontalis）、颧肌（Zygomaticus）及胸锁乳突肌（SCM）作为对照，以排除面部表情及头动干扰。眼动轨迹通过水平眼电（HEOG）监测，并转换为弧度角。信号经带通滤波（10-500Hz）及50Hz陷波后，计算250ms窗长的RMS包络线，并进行基线归一化统计建模（非参数方差分析及Wild Bootstrap重抽样）。

固视任务结果：眼动触发耳廓肌同侧优势激活

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  PAM：运动期（-0.5~0.5s）与注视期（0.5~1.5s）活动均显著高于基线（增幅4.1%~9.23%），且注视期活动强于运动期。左PAM在左凝视时活动显著高于右凝视（差6.25%），呈现同侧优势。
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  AAM：仅在运动期同侧配置下显著升高（左AAM/左凝视：+3.92%；右AAM/右凝视：+11.85%），且同侧肌活动显著高于对侧（如左凝视下左AAM高于右AAM达6.69%）。
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  TAM：活动在运动期及注视期均显著增强（分别+11.98%、+30.49%），且无左右差异，表现为双侧同步激活。
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  SAM：注视期活动整体升高（+7.07%），右SAM在右凝视时活动显著高于左凝视（差10.37%），同侧肌活动亦显著高于对侧（如左凝视下左SAM高于右SAM达4.56%）。

平滑追踪任务结果：耳廓肌活动与眼动角度强相关

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  PAM与SAM：活动与HEOG呈强负相关（左PAM ρ=-0.706；右SAM ρ=0.822），峰值出现在同侧凝视极值附近（如左PAM于-30.04°达107.96%），且同侧肌活动显著高于对侧（如左凝视下左SAM高于右SAM达10.24%）。
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  AAM：右AAM在右凝视时活动显著高于左凝视（差7.65%），但左右肌间差异不显著。
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  TAM：唯一在双侧凝视均激活的肌群，且与全波整流HEOG强相关（左TAM ρ=0.921），峰值幅度最高（左TAM于34.09°达133.43%），趋势呈对侧优势。

渐进眼动范围分析：小角度眼动即可引发显著偏侧化

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  PAM在右凝视6.5°时即出现显著左右差异（p<0.01），SAM在左凝视15.5°、右凝视17.5°时差异显著。尽管幅度微小（均值差0.94%~4.91%），但统计显著性表明小角度眼动已足以引入偏侧化干扰。

讨论与意义：HMI系统需集成眼动监测以去伪存真

本研究首次量化揭示小幅度眼球运动（<±35°）可系统性激活多数耳廓肌，且呈现同侧优势（TAM除外）。尽管增幅（5%-30%）远低于自主收缩（文献报告可达1000%），但其统计显著性及与眼动角度的强相关性，对HMI应用构成潜在威胁：机器学习算法可能将眼动相关EMG噪声误判为控制信号；训练范式可能因受试者无意识眼动而高估其自主收缩能力。团队建议，未来HMI系统应集成眼动追踪（如HEOG或摄像头）或加速度计（监测头动），实时剔除眼动干扰段数据，或如Pinheiro等所述，引入眼动惩罚机制以提升信号纯净度。

从神经机制看，眼-耳协同可能源于上丘（Superior Colliculus, SC）内眼动与耳廓运动图谱的空间重叠，是进化残留的感觉稳定机制（类似猫类耳眼共定位行为）。此外，额肌的强同侧激活提示电极可能捕获邻近眼动肌群信号，需谨慎解读。

结论

Schroeer等证实，小幅度眼球运动可显著调制耳廓肌电活动，且该效应在低至6.5°凝视角时已具统计显著性。这一发现警示，基于耳廓肌的HMI系统（如助听设备、轮椅控制）及相关认知研究（如听觉注意范式），必须将系统性眼动视为关键干扰变量，通过多模态信号融合与算法优化，确保控制意图的准确解码与训练成效的真实评估。