严重脑损伤导致的意识障碍不仅对患者家庭造成极大伤害,对社会造成巨大负担,同时也对当前的临床诊疗技术提出了严峻挑战。意识障碍患者的意识水平评估和神经康复是神经科学和临床医学领域的重大难题。意识水平的高误诊率以及神经调控评估手段的缺失严重阻碍了意识障碍患者的临床康复。因此,针对这两大难题本文从神经信息工程学的角度出发,建立了基于脑电与经颅磁刺激-脑电(Transcranial magnetic stimulation-Electroencephalography,TMS-EEG)技术的意识评估和神经调控评估方法。提取了不同意识水平患者的脑电和TMS-EEG特征。纳入了三种神经调控手段(有创脊髓电刺激和无创经颅直流电刺激以及经颅磁刺激调控),研究其对意识障碍的神经调控效果,提供了基于脑电评估的参数选择方法,探索了对意识干预的潜在工作机制。本文主要成果包括:基于较大样本静息态脑电数据研究发现,脑电相干性和双谱相干性特征能够有效表征意识障碍患者的意识水平。并且脑电双谱相干性特征在各主要病因中均与患者意识水平呈显著相关。同时,双谱相干性特征对意识障碍患者的后期康复具有一定的预测作用。因此,本文推荐使用双谱相干性特征作为潜在的意识水平评估指标用于意识障碍患者的临床诊断。针对意识障碍的个体化评估,我们建立了TMS-EEG技术,提出新的去噪算法以及脑电反应指标,用于意识障碍患者的皮层反应性和连接性评估。通过对临床量表无法区分的植物状态患者的TMS-EEG研究,证实了TMS-EEG技术对意识障碍皮层状态检测的有效性。同时,与静息态脑电结果相比,TMS-EEG特征与患者静息态功能连接和功能网络特征具有一致性。因此,本文认为我们建立的TMS-EEG技术可应用于意识障碍患者的临床评估。脊髓电刺激调控前后脑电特征的对比研究发现,相比其他频率,70Hz频率的刺激能够显著引起微意识患者大脑电生理的变化。同时使用TMS-EEG技术验证了该频率下的神经调控对患者皮层兴奋性和连接性的调控效应。该研究解决了脊髓电刺激在临床使用时频率参数选择的难题。也为其他神经调控技术提供了参数选择的依据。基于调控前、中、后全脑功能连接和网络特性分析探索了脊髓电刺激的神经调控通路并提出作用机理假说。为脊髓电刺激在意识障碍临床康复中的应用提供了理论支撑。在经颅直流电刺激对比研究中发现微意识状态和植物状态患者大脑对经颅直流电刺激反应的差异。研究发现经颅直流电刺激能够显著调控微意识患者的功能连接性,而植物状态患者的功能连接性在调控中变化不明显,并且调控导致的大脑连接性的变化与患者临床量表评分成显著相关。TMS-EEG的研究发现,调控前后两组患者的诱发脑电均有变化,但是时间和空间上该调控导致的微意识患者大脑皮层的变化更广泛,而植物状态患者大脑皮层的调控效应趋于局部化。该结果为临床观察到的经颅直流电刺激在微意识和植物状态患者中的疗效差异提供了神经电生理证据,同时也为进一步提高该神经调控技术的调控效果提供了评估手段。提出基于重复经颅磁刺激的意识康复技术,使用脑电和TMS-EEG技术评估该调控技术对意识障碍患者大脑的调控效应。调控前后对比研究发现重复经颅磁刺激可以有效改变微意识患者大脑的功能连接性,复杂网络特性,皮层反应性和有效连接性。为期20天的长时程调控发现该调控可以有效提高意识障碍(特别是微意识状态)患者的临床行为评分。同时对意识明显提升患者的TMS-EEG追踪研究也证明了TMS-EEG特征在神经调控评估中的可靠性。因此,该研究为意识障碍的临床康复提供了一种有效的神经调控范式及评估手段,推进了意识障碍神经康复的理论和技术发展。