腦電(dian)(dian)波(bo)(bo)大(da)致分為α波(bo)(bo)、β波(bo)(bo)、γ波(bo)(bo)、δ波(bo)(bo)和θ波(bo)(bo)，不同(tong)的(de)(de)電(dian)(dian)波(bo)(bo)對應(ying)不同(tong)的(de)(de)大(da)腦狀態(tai)。盡(jin)管不同(tong)的(de)(de)腦電(dian)(dian)波(bo)(bo)大(da)致有一個代表的(de)(de)方向，但實際情況卻復雜得多。事實上(shang)，腦電(dian)(dian)信號的(de)(de)破譯工作目前仍是一片“藍海”。
前(qian)不久，浙江某小學為(wei)學生(sheng)佩(pei)戴“智能頭環”檢測腦電波以判斷其(qi)注意(yi)力是(shi)否(fou)集中(zhong)的(de)事件引發(fa)熱議。測試腦電波這一(yi)在醫療領域(yu)和研究領域(yu)常用的(de)技術手段(duan)，由于科幻(huan)電影的(de)炫染(ran)總是(shi)讓人(ren)感覺(jue)無比(bi)神(shen)秘。
那(nei)么(me)什么(me)是腦電波，它可以被(bei)探測解(jie)讀嗎(ma)？
神經元的活動形成了腦電波(bo)
盡管(guan)幻想腦部“呲(ci)呲(ci)”放電會顯得古怪滑(hua)稽，但腦電波確實存在。之所以難(nan)以察覺，是因為它的強度最高只(zhi)有200微伏。
大腦(nao)(nao)在(zai)活動時，大量(liang)神經元(yuan)同步發(fa)生的(de)(de)(de)突觸后(hou)電(dian)(dian)(dian)位經總(zong)和后(hou)形成了(le)腦(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)波，突觸后(hou)電(dian)(dian)(dian)位的(de)(de)(de)本(ben)質是帶(dai)電(dian)(dian)(dian)離子在(zai)神經突觸的(de)(de)(de)進出。所謂“思想的(de)(de)(de)火花”，正是思考時體內的(de)(de)(de)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)離子穿過神經細(xi)胞(bao)膜上的(de)(de)(de)通(tong)道（如化(hua)學(xue)門控通(tong)道）留(liu)下(xia)的(de)(de)(de)“噼啪”聲，以及流過后(hou)大腦(nao)(nao)不同區域的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)位差(cha)。腦(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)儀器記(ji)錄(lu)的(de)(de)(de)正是腦(nao)(nao)神經細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)生理活動在(zai)大腦(nao)(nao)皮層或(huo)頭皮表面(mian)的(de)(de)(de)總(zong)體反映。
一般認為，腦(nao)電波大(da)致(zhi)分為α波、β波、γ波、δ波和θ波，不(bu)同(tong)的(de)電波對應不(bu)同(tong)的(de)大(da)腦(nao)狀(zhuang)態(tai)。“腦(nao)電波一直(zhi)存在，但(dan)是不(bu)同(tong)的(de)狀(zhuang)態(tai)下不(bu)同(tong)的(de)波將成為主(zhu)體，例(li)如合(he)眼的(de)時(shi)候(hou)，α波會馬(ma)上活(huo)躍起(qi)來。”復旦大(da)學(xue)教授黃志力(li)說，而當大(da)腦(nao)充滿θ波時(shi)，人(ren)的(de)意識(shi)活(huo)動明顯受到抑制，無(wu)法進行邏輯思維和推理活(huo)動。此時(shi)，大(da)腦(nao)憑(ping)直(zhi)覺、靈感(gan)、想象等接收(shou)和傳遞信息。
科學(xue)家還發(fa)現，人們在覺醒并專注于某(mou)一事時(shi)，常可(ke)見(jian)一種頻(pin)率較β波(bo)(bo)更高的(de)(de)γ波(bo)(bo)，其頻(pin)率為30—80赫(he)茲，波(bo)(bo)幅范圍不定。有假說認(ren)為，γ波(bo)(bo)也許與建立統(tong)一的(de)(de)清晰(xi)認(ren)知有關，通過吸引不同(tong)的(de)(de)神(shen)經元電路的(de)(de)同(tong)步(bu)，增強意(yi)識(shi)、產生(sheng)注意(yi)力(li)。
用腦機接口、電極、頭環均可檢測
“腦電波本身就是電信號(hao)，微(wei)伏測(ce)量確(que)實(shi)難，但(dan)是檢測(ce)完(wan)全沒問(wen)題，至(zhi)少實(shi)驗室沒問(wen)題。”北京大(da)學(xue)工學(xue)院特聘研究(jiu)員雷霆表示，腦電測(ce)量設備的(de)先(xian)進性、貼合的(de)緊密程度、測(ce)量方(fang)法、是否植(zhi)入等均對是否能夠準確(que)測(ce)量腦電波產生(sheng)影響(xiang)。
據了解(jie)，目(mu)前(qian)獲(huo)得腦電波的(de)方式，有腦機(ji)接口(kou)、電極貼片、頭環或頭盔等。
通過腦機接(jie)(jie)口(kou)獲取(qu)腦電波的(de)方(fang)式(shi)，理論上獲取(qu)效率最(zui)高，識(shi)別率最(zui)好，而(er)且可以長期持續使(shi)用(yong)，但缺點是(shi)需要腦機接(jie)(jie)口(kou)，風險(xian)性(xing)較大。
電極貼片是一(yi)種典(dian)型的(de)獲取(qu)腦(nao)電波的(de)方式，在(zai)醫學(xue)領域(yu)和(he)一(yi)些科學(xue)實(shi)驗場(chang)景(jing)(jing)，我們常常可以(yi)見到在(zai)腦(nao)外部(bu)貼上密(mi)(mi)密(mi)(mi)麻(ma)麻(ma)電極的(de)場(chang)景(jing)(jing)。
上海師范大學教授李魯群等在《基于(yu)(yu)腦電(dian)(dian)波信號(hao)的(de)(de)(de)人體疲勞程度(du)測試(shi)模(mo)型分析(xi)》一(yi)文中(zhong)曾詳細(xi)介紹了通(tong)(tong)過(guo)電(dian)(dian)極(ji)貼片(pian)(pian)獲(huo)取腦電(dian)(dian)波的(de)(de)(de)方式(shi)(shi)：通(tong)(tong)過(guo)兩(liang)個干(gan)電(dian)(dian)極(ji)，將(jiang)芯片(pian)(pian)與(yu)測試(shi)者頭(tou)部相連，其中(zhong)一(yi)個干(gan)電(dian)(dian)極(ji)貼于(yu)(yu)測試(shi)者的(de)(de)(de)腦門，另外一(yi)個夾在測試(shi)者的(de)(de)(de)左耳；然后將(jiang)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感器與(yu)電(dian)(dian)腦終(zhong)(zhong)端相連，芯片(pian)(pian)將(jiang)采集到(dao)的(de)(de)(de)腦電(dian)(dian)波信號(hao)通(tong)(tong)過(guo)藍(lan)牙的(de)(de)(de)方式(shi)(shi)發送(song)到(dao)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感器，電(dian)(dian)腦終(zhong)(zhong)端就會(hui)顯示腦電(dian)(dian)波信號(hao)的(de)(de)(de)特征值。
雖然這種方式(shi)比腦機接口的成本低很(hen)(hen)多，不(bu)需要植入，安全性較(jiao)高，此外，其(qi)信號的識別率也(ye)比較(jiao)有保(bao)障。但缺點(dian)是這種方式(shi)操作成本較(jiao)高，且需要專業人(ren)士協助，不(bu)能隨時進行，日常生活場景(jing)中(zhong)很(hen)(hen)難普及。
此(ci)外，頭環或頭盔也是獲(huo)取腦電波的(de)方(fang)式之一(yi)。頭環或頭盔的(de)優點(dian)在(zai)于可以簡(jian)單佩戴(dai)，持(chi)續使(shi)用(yong)，可以方(fang)便地產品化。其缺點(dian)是采集信(xin)(xin)號容易被(bei)背景噪音(yin)信(xin)(xin)號干(gan)擾，識別的(de)準確性和效率明(ming)顯不如前(qian)兩者。
腦電信號的(de)破譯(yi)仍是“藍(lan)海”
天馬行空(kong)、不拘(ju)一(yi)格、智慧深邃……人的思(si)維(wei)是如此(ci)豐(feng)富多彩，腦電波又(you)有多個(ge)種類和千(qian)萬種組合，那么(me)如何破譯這些信號(hao)？
“不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)認知可以根據腦電圖的(de)(de)變化(hua)來(lai)判斷(duan)，但(dan)(dan)是非常復雜。”中國標(biao)準化(hua)研究(jiu)院研究(jiu)員張運紅表示(shi)，盡管(guan)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)腦電波大致(zhi)有一個代表的(de)(de)方(fang)向，但(dan)(dan)實際情況卻復雜得多(duo)。
李魯群等(deng)人為找(zhao)到(dao)(dao)司機疲(pi)勞(lao)程度與腦電(dian)波信號的(de)(de)關系(xi)，曾建立了一個模型，通過對(dui)復雜數(shu)據的(de)(de)降噪、重構(gou)、建模、擬合等(deng)多(duo)步(bu)處理(li)后，經(jing)過多(duo)步(bu)計(ji)算，隨后進行反向驗證，得到(dao)(dao)相對(dui)有一定(ding)準(zhun)確率的(de)(de)計(ji)算方法，使(shi)得α、β、θ波的(de)(de)特征值能夠計(ji)算，從(cong)而得到(dao)(dao)疲(pi)勞(lao)狀態的(de)(de)判(pan)定(ding)表達式，來(lai)判(pan)斷疲(pi)勞(lao)與否。
“主要問題是(shi)腦電波測得(de)是(shi)否(fou)準確，數據有(you)沒有(you)價值。”雷霆(ting)認為，如果在基礎研究階段沒有(you)得(de)出準確的(de)數學模(mo)型，則(ze)后(hou)續的(de)軟件設計(ji)、應用開發都是(shi)無本之木(mu)。
事實(shi)上，腦電(dian)信號的(de)(de)破(po)譯工作目(mu)前仍是(shi)一片(pian)“藍(lan)海”。“將α、β、θ波的(de)(de)特征(zheng)值用于計算(suan)，只是(shi)其(qi)中一部分，還有(you)很多(duo)其(qi)他(ta)方面的(de)(de)影響。”張運紅(hong)表示，目(mu)前科學(xue)(xue)界并(bing)沒有(you)形成指南之類的(de)(de)共識(shi)。生(sheng)物(wu)學(xue)(xue)領域(yu)的(de)(de)生(sheng)命活動基礎(chu)仍是(shi)未解之謎，將其(qi)轉(zhuan)化為數學(xue)(xue)模型的(de)(de)表達是(shi)粗線(xian)條的(de)(de)反映，即使腦電(dian)波捕(bu)捉準確(que)、后續的(de)(de)軟(ruan)件開(kai)發(fa)適(shi)宜，也無法高度精確(que)地反映思維的(de)(de)現狀。
比如，從西南科(ke)技大學李雪飛、許朝進《腦(nao)電(dian)(dian)生物(wu)反饋對(dui)正常(chang)小學生注(zhu)意(yi)力(li)(li)(li)的(de)(de)影響》的(de)(de)論文中(zhong)可以看(kan)到(dao)，實(shi)驗(yan)針對(dui)注(zhu)意(yi)力(li)(li)(li)分散的(de)(de)8名五(wu)年級小學生，采用腦(nao)電(dian)(dian)生物(wu)反饋訓(xun)練(lian)系(xi)統(tong)進行為期兩個月的(de)(de)注(zhu)意(yi)力(li)(li)(li)訓(xun)練(lian)，比較后發現，盡管整體效果有(you)所改善，但存在腦(nao)電(dian)(dian)數據(ju)與量表結果不(bu)一(yi)致的(de)(de)現象。也就是說，腦(nao)電(dian)(dian)數據(ju)顯示集中(zhong)精力(li)(li)(li)，而(er)量表題庫顯示注(zhu)意(yi)力(li)(li)(li)不(bu)足(zu)。究竟是腦(nao)電(dian)(dian)數據(ju)與現實(shi)狀況接近(jin)，還是主觀題庫更準，目前仍難判斷。
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調控腦電波有(you)望(wang)對認知障礙等進行干(gan)預
記者了解到美國(guo)兒科醫學院將腦(nao)電波神經反(fan)饋訓練作為多動癥的(de)干(gan)預手段之(zhi)一。我國(guo)科學家也正在研發一種穿戴(dai)式頭盔(kui)，希望通(tong)過監測、調控腦(nao)電波，并結合人工(gong)智能(neng)算法(fa)，實(shi)現可反(fan)饋調控的(de)人腦(nao)功能(neng)輔(fu)助增強技術。
這種穿戴式(shi)(shi)腦(nao)功能(neng)調控(kong)頭盔(kui)基于近年來出現的(de)(de)無(wu)創式(shi)(shi)腦(nao)刺(ci)激調控(kong)技術，其原理(li)是：通(tong)過(guo)柔性(xing)電極(ji)傳感器，識別(bie)腦(nao)電波在大(da)腦(nao)執行不同任務時(shi)的(de)(de)變(bian)化，再通(tong)過(guo)電極(ji)組合釋放微弱的(de)(de)電流脈沖刺(ci)激，到(dao)達大(da)腦(nao)的(de)(de)特定(ding)區域，改變(bian)腦(nao)電波的(de)(de)活動，調控(kong)大(da)腦(nao)神經元細胞的(de)(de)活躍狀態(tai)。
研究(jiu)團隊負責人介紹，這(zhe)項技(ji)(ji)(ji)術未來有(you)望應用(yong)于特種人員的技(ji)(ji)(ji)能(neng)(neng)訓練和(he)學習記憶能(neng)(neng)力(li)(li)的快速(su)提(ti)升，高壓力(li)(li)環境所致的焦慮緊張(zhang)情緒的干預和(he)緩解(jie)等(deng)。在醫療領(ling)域，這(zhe)項技(ji)(ji)(ji)術有(you)望對兒(er)童多動(dong)(dong)癥(zheng)、抑郁(yu)癥(zheng)、老(lao)年癡呆、失語(yu)癥(zheng)、帕(pa)金森病等(deng)功能(neng)(neng)異常(chang)、肢(zhi)體運(yun)動(dong)(dong)障礙(ai)、認知障礙(ai)進行干預。
通過(guo)實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，研(yan)究(jiu)團隊(dui)解(jie)析出了與注意認知、情緒調控、焦慮、毒癮發作、壓力及癲(dian)癇等腦功能障(zhang)礙(ai)相(xiang)關的(de)(de)特(te)定(ding)腦區(qu)，希(xi)望(wang)未來能夠(gou)對(dui)(dui)這些特(te)定(ding)腦區(qu)實(shi)施有效的(de)(de)干預。但相(xiang)關負責人(ren)也坦(tan)言，目前(qian)的(de)(de)數(shu)據只(zhi)是部分人(ren)群(qun)測試的(de)(de)結果(guo)，頭盔在大規模推向市場前(qian)，還需要針對(dui)(dui)不同年齡、組別的(de)(de)人(ren)群(qun)做更多大量(liang)雙(shuang)盲實(shi)驗(yan)，積累足夠(gou)讓人(ren)信服的(de)(de)數(shu)據。（記者 張佳星）