智能頭環(huán)真能判斷注意力是否集中?專(zhuān)家表示——

腦電波讀出容易，讀懂很難

腦電波大致分為α波、β波、γ波、δ波和θ波，不同的電波對(duì)應(yīng)不同的大腦狀態(tài)。盡管不同的腦電波大致有一個(gè)代表的方向，但實(shí)際情況卻復(fù)雜得多。事實(shí)上，腦電信號(hào)的破譯工作目前仍是一片“藍(lán)海”。

前不久，浙江某小學(xué)為學(xué)生佩戴“智能頭環(huán)”檢測(cè)腦電波以判斷其注意力是否集中的事件引發(fā)熱議。測(cè)試腦電波這一在醫(yī)療領(lǐng)域和研究領(lǐng)域常用的技術(shù)手段，由于科幻電影的炫染總是讓人感覺(jué)無(wú)比神秘。

那么什么是腦電波，它可以被探測(cè)解讀嗎?

神經(jīng)元的活動(dòng)形成了腦電波

盡管幻想腦部“呲呲”放電會(huì)顯得古怪滑稽，但腦電波確實(shí)存在。之所以難以察覺(jué)，是因?yàn)樗膹?qiáng)度最高只有200微伏。

大腦在活動(dòng)時(shí)，大量神經(jīng)元同步發(fā)生的突觸后電位經(jīng)總和后形成了腦電波，突觸后電位的本質(zhì)是帶電離子在神經(jīng)突觸的進(jìn)出。所謂“思想的火花”，正是思考時(shí)體內(nèi)的帶電離子穿過(guò)神經(jīng)細(xì)胞膜上的通道(如化學(xué)門(mén)控通道)留下的“噼啪”聲，以及流過(guò)后大腦不同區(qū)域的電位差。腦電儀器記錄的正是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。

一般認(rèn)為，腦電波大致分為α波、β波、γ波、δ波和θ波，不同的電波對(duì)應(yīng)不同的大腦狀態(tài)。“腦電波一直存在，但是不同的狀態(tài)下不同的波將成為主體，例如合眼的時(shí)候，α波會(huì)馬上活躍起來(lái)。”復(fù)旦大學(xué)教授黃志力說(shuō)，而當(dāng)大腦充滿(mǎn)θ波時(shí)，人的意識(shí)活動(dòng)明顯受到抑制，無(wú)法進(jìn)行邏輯思維和推理活動(dòng)。此時(shí)，大腦憑直覺(jué)、靈感、想象等接收和傳遞信息。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，人們?cè)谟X(jué)醒并專(zhuān)注于某一事時(shí)，常可見(jiàn)一種頻率較β波更高的γ波，其頻率為30—80赫茲，波幅范圍不定。有假說(shuō)認(rèn)為，γ波也許與建立統(tǒng)一的清晰認(rèn)知有關(guān)，通過(guò)吸引不同的神經(jīng)元電路的同步，增強(qiáng)意識(shí)、產(chǎn)生注意力。

用腦機(jī)接口、電極、頭環(huán)均可檢測(cè)

“腦電波本身就是電信號(hào)，微伏測(cè)量確實(shí)難，但是檢測(cè)完全沒(méi)問(wèn)題，至少實(shí)驗(yàn)室沒(méi)問(wèn)題。”北京大學(xué)工學(xué)院特聘研究員雷霆表示，腦電測(cè)量設(shè)備的先進(jìn)性、貼合的緊密程度、測(cè)量方法、是否植入等均對(duì)是否能夠準(zhǔn)確測(cè)量腦電波產(chǎn)生影響。

據(jù)了解，目前獲得腦電波的方式，有腦機(jī)接口、電極貼片、頭環(huán)或頭盔等。

通過(guò)腦機(jī)接口獲取腦電波的方式，理論上獲取效率最高，識(shí)別率最好，而且可以長(zhǎng)期持續(xù)使用，但缺點(diǎn)是需要腦機(jī)接口，風(fēng)險(xiǎn)性較大。

電極貼片是一種典型的獲取腦電波的方式，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，我們常?？梢砸?jiàn)到在腦外部貼上密密麻麻電極的場(chǎng)景。

上海師范大學(xué)教授李魯群等在《基于腦電波信號(hào)的人體疲勞程度測(cè)試模型分析》一文中曾詳細(xì)介紹了通過(guò)電極貼片獲取腦電波的方式：通過(guò)兩個(gè)干電極，將芯片與測(cè)試者頭部相連，其中一個(gè)干電極貼于測(cè)試者的腦門(mén)，另外一個(gè)夾在測(cè)試者的左耳;然后將生物傳感器與電腦終端相連，芯片將采集到的腦電波信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙的方式發(fā)送到生物傳感器，電腦終端就會(huì)顯示腦電波信號(hào)的特征值。

雖然這種方式比腦機(jī)接口的成本低很多，不需要植入，安全性較高，此外，其信號(hào)的識(shí)別率也比較有保障。但缺點(diǎn)是這種方式操作成本較高，且需要專(zhuān)業(yè)人士協(xié)助，不能隨時(shí)進(jìn)行，日常生活場(chǎng)景中很難普及。

此外，頭環(huán)或頭盔也是獲取腦電波的方式之一。頭環(huán)或頭盔的優(yōu)點(diǎn)在于可以簡(jiǎn)單佩戴，持續(xù)使用，可以方便地產(chǎn)品化。其缺點(diǎn)是采集信號(hào)容易被背景噪音信號(hào)干擾，識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率明顯不如前兩者。

腦電信號(hào)的破譯仍是“藍(lán)海”

天馬行空、不拘一格、智慧深邃……人的思維是如此豐富多彩，腦電波又有多個(gè)種類(lèi)和千萬(wàn)種組合，那么如何破譯這些信號(hào)?

“不同的認(rèn)知可以根據(jù)腦電圖的變化來(lái)判斷，但是非常復(fù)雜。”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院研究員張運(yùn)紅表示，盡管不同的腦電波大致有一個(gè)代表的方向，但實(shí)際情況卻復(fù)雜得多。

李魯群等人為找到司機(jī)疲勞程度與腦電波信號(hào)的關(guān)系，曾建立了一個(gè)模型，通過(guò)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的降噪、重構(gòu)、建模、擬合等多步處理后，經(jīng)過(guò)多步計(jì)算，隨后進(jìn)行反向驗(yàn)證，得到相對(duì)有一定準(zhǔn)確率的計(jì)算方法，使得α、β、θ波的特征值能夠計(jì)算，從而得到疲勞狀態(tài)的判定表達(dá)式，來(lái)判斷疲勞與否。

“主要問(wèn)題是腦電波測(cè)得是否準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)有沒(méi)有價(jià)值。”雷霆認(rèn)為，如果在基礎(chǔ)研究階段沒(méi)有得出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，則后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)都是無(wú)本之木。

事實(shí)上，腦電信號(hào)的破譯工作目前仍是一片“藍(lán)海”。“將α、β、θ波的特征值用于計(jì)算，只是其中一部分，還有很多其他方面的影響。”張運(yùn)紅表示，目前科學(xué)界并沒(méi)有形成指南之類(lèi)的共識(shí)。生物學(xué)領(lǐng)域的生命活動(dòng)基礎(chǔ)仍是未解之謎，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的表達(dá)是粗線(xiàn)條的反映，即使腦電波捕捉準(zhǔn)確、后續(xù)的軟件開(kāi)發(fā)適宜，也無(wú)法高度精確地反映思維的現(xiàn)狀。

比如，從西南科技大學(xué)李雪飛、許朝進(jìn)《腦電生物反饋對(duì)正常小學(xué)生注意力的影響》的論文中可以看到，實(shí)驗(yàn)針對(duì)注意力分散的8名五年級(jí)小學(xué)生，采用腦電生物反饋訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行為期兩個(gè)月的注意力訓(xùn)練，比較后發(fā)現(xiàn)，盡管整體效果有所改善，但存在腦電數(shù)據(jù)與量表結(jié)果不一致的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，腦電數(shù)據(jù)顯示集中精力，而量表題庫(kù)顯示注意力不足。究竟是腦電數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)狀況接近，還是主觀(guān)題庫(kù)更準(zhǔn)，目前仍難判斷。

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調(diào)控腦電波有望對(duì)認(rèn)知障礙等進(jìn)行干預(yù)

記者了解到美國(guó)兒科醫(yī)學(xué)院將腦電波神經(jīng)反饋訓(xùn)練作為多動(dòng)癥的干預(yù)手段之一。我國(guó)科學(xué)家也正在研發(fā)一種穿戴式頭盔，希望通過(guò)監(jiān)測(cè)、調(diào)控腦電波，并結(jié)合人工智能算法，實(shí)現(xiàn)可反饋調(diào)控的人腦功能輔助增強(qiáng)技術(shù)。

這種穿戴式腦功能調(diào)控頭盔基于近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)創(chuàng)式腦刺激調(diào)控技術(shù)，其原理是：通過(guò)柔性電極傳感器，識(shí)別腦電波在大腦執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)的變化，再通過(guò)電極組合釋放微弱的電流脈沖刺激，到達(dá)大腦的特定區(qū)域，改變腦電波的活動(dòng)，調(diào)控大腦神經(jīng)元細(xì)胞的活躍狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)有望應(yīng)用于特種人員的技能訓(xùn)練和學(xué)習(xí)記憶能力的快速提升，高壓力環(huán)境所致的焦慮緊張情緒的干預(yù)和緩解等。在醫(yī)療領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)有望對(duì)兒童多動(dòng)癥、抑郁癥、老年癡呆、失語(yǔ)癥、帕金森病等功能異常、肢體運(yùn)動(dòng)障礙、認(rèn)知障礙進(jìn)行干預(yù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，研究團(tuán)隊(duì)解析出了與注意認(rèn)知、情緒調(diào)控、焦慮、毒癮發(fā)作、壓力及癲癇等腦功能障礙相關(guān)的特定腦區(qū)，希望未來(lái)能夠?qū)@些特定腦區(qū)實(shí)施有效的干預(yù)。但相關(guān)負(fù)責(zé)人也坦言，目前的數(shù)據(jù)只是部分人群測(cè)試的結(jié)果，頭盔在大規(guī)模推向市場(chǎng)前，還需要針對(duì)不同年齡、組別的人群做更多大量雙盲實(shí)驗(yàn)，積累足夠讓人信服的數(shù)據(jù)。(記者 張佳星)