腦(nao)(nao)電波(bo)(bo)大(da)(da)致分為(wei)α波(bo)(bo)、β波(bo)(bo)、γ波(bo)(bo)、δ波(bo)(bo)和θ波(bo)(bo)，不同的電波(bo)(bo)對應不同的大(da)(da)腦(nao)(nao)狀態(tai)。盡管(guan)不同的腦(nao)(nao)電波(bo)(bo)大(da)(da)致有(you)一(yi)個(ge)代表的方向，但實(shi)(shi)際情(qing)況卻復雜(za)得多。事實(shi)(shi)上，腦(nao)(nao)電信號的破譯工作目前仍是(shi)一(yi)片“藍海”。
前不(bu)久(jiu)，浙江某小(xiao)學為學生佩戴“智(zhi)能頭環”檢測腦電(dian)波以判(pan)斷其(qi)注(zhu)意(yi)力是(shi)(shi)否集中的(de)事件引(yin)發熱議。測試腦電(dian)波這一(yi)在醫療領域和研(yan)究領域常(chang)用的(de)技術手段，由于(yu)科幻電(dian)影的(de)炫染總是(shi)(shi)讓人感覺無比神秘。
那么什(shen)么是腦(nao)電波，它可以被探測解(jie)讀(du)嗎(ma)？
神經元的活動形成了(le)腦(nao)電波
盡管幻想(xiang)腦部(bu)“呲呲”放電會(hui)顯得(de)古怪滑(hua)稽，但腦電波確實存(cun)在。之所以(yi)難以(yi)察(cha)覺(jue)，是因為它的強度最高只有200微(wei)伏。
大腦(nao)在活(huo)(huo)動時，大量神(shen)(shen)經(jing)(jing)元同步發(fa)生的(de)(de)(de)(de)突觸后電(dian)(dian)(dian)位(wei)經(jing)(jing)總和后形(xing)成了腦(nao)電(dian)(dian)(dian)波，突觸后電(dian)(dian)(dian)位(wei)的(de)(de)(de)(de)本質是帶電(dian)(dian)(dian)離子在神(shen)(shen)經(jing)(jing)突觸的(de)(de)(de)(de)進出。所(suo)謂“思想的(de)(de)(de)(de)火花”，正(zheng)是思考時體內的(de)(de)(de)(de)帶電(dian)(dian)(dian)離子穿過神(shen)(shen)經(jing)(jing)細(xi)胞膜(mo)上的(de)(de)(de)(de)通道(dao)（如化學門控通道(dao)）留下的(de)(de)(de)(de)“噼啪”聲，以及流過后大腦(nao)不(bu)同區(qu)域的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)位(wei)差。腦(nao)電(dian)(dian)(dian)儀器記錄的(de)(de)(de)(de)正(zheng)是腦(nao)神(shen)(shen)經(jing)(jing)細(xi)胞的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)生理(li)活(huo)(huo)動在大腦(nao)皮層或頭皮表面的(de)(de)(de)(de)總體反(fan)映。
一般認為(wei)，腦(nao)(nao)(nao)電(dian)波(bo)(bo)大(da)(da)致分為(wei)α波(bo)(bo)、β波(bo)(bo)、γ波(bo)(bo)、δ波(bo)(bo)和(he)θ波(bo)(bo)，不(bu)同(tong)的(de)電(dian)波(bo)(bo)對應不(bu)同(tong)的(de)大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)狀(zhuang)態。“腦(nao)(nao)(nao)電(dian)波(bo)(bo)一直存在，但是不(bu)同(tong)的(de)狀(zhuang)態下不(bu)同(tong)的(de)波(bo)(bo)將(jiang)成為(wei)主體(ti)，例如合眼的(de)時(shi)(shi)候，α波(bo)(bo)會馬上(shang)活躍起來。”復旦(dan)大(da)(da)學教授黃志(zhi)力說，而當大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)充滿θ波(bo)(bo)時(shi)(shi)，人的(de)意(yi)識活動明顯受到抑(yi)制，無法進行邏輯思維(wei)和(he)推理活動。此(ci)時(shi)(shi)，大(da)(da)腦(nao)(nao)(nao)憑直覺、靈感、想象等(deng)接收和(he)傳遞信息。
科(ke)學(xue)家還發現，人們在覺醒并專注于某(mou)一(yi)事時，常(chang)可見一(yi)種頻(pin)率(lv)較β波(bo)更(geng)高的γ波(bo)，其頻(pin)率(lv)為(wei)30—80赫茲，波(bo)幅范圍不定(ding)。有假(jia)說(shuo)認為(wei)，γ波(bo)也許與(yu)建立統一(yi)的清晰認知有關，通過吸(xi)引不同(tong)的神經元電路的同(tong)步，增強(qiang)意(yi)識(shi)、產生(sheng)注意(yi)力。
用腦(nao)機(ji)接口、電極、頭環均可檢測
“腦電(dian)(dian)波本身就是電(dian)(dian)信號，微伏測量(liang)(liang)確(que)實(shi)難，但(dan)是檢測完(wan)全(quan)沒問題(ti)，至少實(shi)驗室(shi)沒問題(ti)。”北京大學工學院特(te)聘研(yan)究員雷霆(ting)表示，腦電(dian)(dian)測量(liang)(liang)設備的(de)先(xian)進性、貼合的(de)緊密程度、測量(liang)(liang)方法、是否植(zhi)入等均對是否能夠準(zhun)確(que)測量(liang)(liang)腦電(dian)(dian)波產生影響(xiang)。
據了(le)解，目(mu)前獲得腦電(dian)(dian)波的方式，有腦機接口、電(dian)(dian)極貼片、頭(tou)(tou)環或頭(tou)(tou)盔等。
通(tong)過腦機接(jie)口(kou)獲(huo)取(qu)腦電(dian)波的方式，理論上獲(huo)取(qu)效率最高，識別率最好，而且可以長期持續使(shi)用(yong)，但(dan)缺點(dian)是需(xu)要腦機接(jie)口(kou)，風(feng)險性較大。
電(dian)極(ji)貼(tie)片是一種典型的(de)(de)獲取腦電(dian)波(bo)的(de)(de)方式，在醫學領域(yu)和一些(xie)科(ke)學實驗場景(jing)，我(wo)們常常可(ke)以見(jian)到在腦外部貼(tie)上密(mi)密(mi)麻麻電(dian)極(ji)的(de)(de)場景(jing)。
上海(hai)師范大學教授李(li)魯群等在(zai)(zai)《基于腦(nao)(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)(dian)波(bo)信號的(de)人(ren)體疲(pi)勞程(cheng)度測試模型分析》一文(wen)中曾詳細介紹了通(tong)過電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)貼片獲取腦(nao)(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)(dian)波(bo)的(de)方式(shi)：通(tong)過兩個(ge)干電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)，將(jiang)芯片與測試者(zhe)頭部相連(lian)，其中一個(ge)干電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)貼于測試者(zhe)的(de)腦(nao)(nao)(nao)門(men)，另外一個(ge)夾在(zai)(zai)測試者(zhe)的(de)左耳；然后將(jiang)生(sheng)物傳感器與電(dian)(dian)(dian)(dian)腦(nao)(nao)(nao)終端(duan)相連(lian)，芯片將(jiang)采集到的(de)腦(nao)(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)(dian)波(bo)信號通(tong)過藍牙的(de)方式(shi)發送到生(sheng)物傳感器，電(dian)(dian)(dian)(dian)腦(nao)(nao)(nao)終端(duan)就會顯示(shi)腦(nao)(nao)(nao)電(dian)(dian)(dian)(dian)波(bo)信號的(de)特征(zheng)值。
雖然(ran)這種方(fang)(fang)式比腦(nao)機接口的成本低很多，不(bu)需(xu)要植入，安全性較高(gao)，此外，其(qi)信號的識別率也比較有保(bao)障。但缺點(dian)是這種方(fang)(fang)式操作成本較高(gao)，且(qie)需(xu)要專業人士(shi)協助，不(bu)能隨時進行，日常生活(huo)場(chang)景中很難普(pu)及。
此外，頭環或(huo)頭盔也是獲取腦電波(bo)的方式之(zhi)一。頭環或(huo)頭盔的優(you)點在于可(ke)以簡單佩戴，持續使用，可(ke)以方便地產(chan)品化。其缺點是采集信(xin)號(hao)容易(yi)被背景噪音(yin)信(xin)號(hao)干擾，識別(bie)的準確性和效率明顯不如(ru)前兩(liang)者。
; 腦(nao)電信號的破(po)譯仍是“藍(lan)海”
天馬行(xing)空、不(bu)拘一格、智慧深邃……人(ren)的思(si)維是如此豐富多(duo)彩，腦電波又有多(duo)個種類(lei)和千萬種組合，那么如何破譯(yi)這些信號(hao)？
“不同的認知可以(yi)根據(ju)腦(nao)電(dian)圖的變(bian)化來判斷，但是非常(chang)復(fu)雜(za)。”中(zhong)國(guo)標(biao)準化研究(jiu)院研究(jiu)員張運紅表示(shi)，盡管不同的腦(nao)電(dian)波大致有一個代表的方向，但實際情況卻復(fu)雜(za)得多。
李(li)魯(lu)群等(deng)人為(wei)找到司機疲勞程度與腦電波信(xin)號的(de)關系，曾建立了一個(ge)模(mo)型，通過對(dui)復(fu)雜數據的(de)降(jiang)噪、重構、建模(mo)、擬(ni)合等(deng)多步(bu)處理后，經過多步(bu)計算(suan)，隨(sui)后進(jin)行反(fan)向驗(yan)證(zheng)，得到相(xiang)對(dui)有一定準(zhun)確率的(de)計算(suan)方法，使得α、β、θ波的(de)特征(zheng)值能夠(gou)計算(suan)，從(cong)而得到疲勞狀(zhuang)態(tai)的(de)判定表達(da)式，來判斷疲勞與否。
“主要問題是(shi)(shi)腦電(dian)波(bo)測得是(shi)(shi)否準(zhun)確，數(shu)據有(you)沒有(you)價值(zhi)。”雷霆認為，如果(guo)在(zai)基礎研究階(jie)段沒有(you)得出準(zhun)確的數(shu)學模型，則后續的軟件設計、應用開發都是(shi)(shi)無本之(zhi)木。
事(shi)實上(shang)，腦電(dian)信號的(de)(de)(de)(de)破(po)譯工作目(mu)(mu)前仍是(shi)(shi)一片“藍海”。“將(jiang)α、β、θ波的(de)(de)(de)(de)特征(zheng)值用于計算，只是(shi)(shi)其中一部分，還有(you)很多其他方面的(de)(de)(de)(de)影響。”張運紅表示，目(mu)(mu)前科學界(jie)并沒有(you)形成指南之類(lei)的(de)(de)(de)(de)共識。生(sheng)物學領(ling)域的(de)(de)(de)(de)生(sheng)命(ming)活(huo)動基(ji)礎仍是(shi)(shi)未解之謎，將(jiang)其轉化為數學模型的(de)(de)(de)(de)表達(da)是(shi)(shi)粗(cu)線條的(de)(de)(de)(de)反映(ying)，即使腦電(dian)波捕(bu)捉準確、后續的(de)(de)(de)(de)軟(ruan)件(jian)開發(fa)適(shi)宜，也無法高度(du)精(jing)確地反映(ying)思維的(de)(de)(de)(de)現狀。
比如，從(cong)西南科技大(da)學李雪(xue)飛(fei)、許(xu)朝進《腦電(dian)(dian)生物(wu)(wu)反(fan)(fan)饋對(dui)正常小(xiao)學生注(zhu)意(yi)力(li)的(de)(de)影(ying)響》的(de)(de)論文中可以看到(dao)，實驗(yan)針對(dui)注(zhu)意(yi)力(li)分散的(de)(de)8名五(wu)年級小(xiao)學生，采(cai)用腦電(dian)(dian)生物(wu)(wu)反(fan)(fan)饋訓(xun)練系統(tong)進行為(wei)期兩(liang)個月的(de)(de)注(zhu)意(yi)力(li)訓(xun)練，比較后發(fa)現(xian)，盡管整體效果(guo)有(you)所改善，但存(cun)在腦電(dian)(dian)數據與量表結果(guo)不一致(zhi)的(de)(de)現(xian)象。也就是說，腦電(dian)(dian)數據顯示集中精力(li)，而(er)量表題庫顯示注(zhu)意(yi)力(li)不足。究竟是腦電(dian)(dian)數據與現(xian)實狀(zhuang)況接(jie)近，還是主(zhu)觀題庫更準(zhun)，目前仍難判斷。
相(xiang)關鏈接
調控腦電波有望(wang)對認知(zhi)障(zhang)礙等進行干預(yu)
記(ji)者了解(jie)到美國(guo)兒(er)科(ke)醫學院將腦電(dian)波(bo)神經反饋訓練作(zuo)為多動癥的(de)干預(yu)手段之一。我國(guo)科(ke)學家也正在研發一種穿戴式頭(tou)盔，希(xi)望通過監測、調控腦電(dian)波(bo)，并結(jie)合人(ren)工智能算法，實現可反饋調控的(de)人(ren)腦功(gong)能輔助增強技術。
這種穿戴式腦(nao)功能調(diao)控頭(tou)盔基于近年來(lai)出現的(de)(de)無創式腦(nao)刺激調(diao)控技(ji)術，其原理是：通(tong)過柔性(xing)電極傳感器，識別(bie)腦(nao)電波在大腦(nao)執(zhi)行不同任(ren)務(wu)時的(de)(de)變化，再(zai)通(tong)過電極組合釋(shi)放微(wei)弱(ruo)的(de)(de)電流脈沖刺激，到(dao)達大腦(nao)的(de)(de)特(te)定區(qu)域，改變腦(nao)電波的(de)(de)活(huo)動，調(diao)控大腦(nao)神經元細胞(bao)的(de)(de)活(huo)躍狀(zhuang)態。
研究團隊負責人介紹，這項(xiang)(xiang)技術未(wei)來有望應用(yong)于特種人員的技能(neng)(neng)訓(xun)練和(he)學習記憶(yi)能(neng)(neng)力的快速提升，高壓力環境所(suo)致(zhi)的焦慮緊張情緒的干(gan)預和(he)緩解(jie)等(deng)。在醫療(liao)領域(yu)，這項(xiang)(xiang)技術有望對兒童多(duo)動(dong)癥、抑郁癥、老(lao)年(nian)癡呆、失語癥、帕金森病等(deng)功能(neng)(neng)異常、肢體(ti)運動(dong)障(zhang)礙(ai)、認知(zhi)障(zhang)礙(ai)進行干(gan)預。
通過實(shi)驗研(yan)(yan)究(jiu)，研(yan)(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)解析出(chu)了(le)與(yu)注意認知、情緒調(diao)控、焦(jiao)慮(lv)、毒癮(yin)發作(zuo)、壓力及(ji)癲癇等(deng)腦功能(neng)障礙相關(guan)的(de)(de)特定腦區，希望(wang)未(wei)來能(neng)夠對這些特定腦區實(shi)施有(you)效的(de)(de)干預。但相關(guan)負(fu)責人(ren)(ren)也坦(tan)言，目(mu)前的(de)(de)數據只是部(bu)分人(ren)(ren)群測試(shi)的(de)(de)結果，頭(tou)盔(kui)在大規(gui)模推向市場前，還需(xu)要針對不同年齡、組別的(de)(de)人(ren)(ren)群做(zuo)更多大量雙盲實(shi)驗，積累足夠讓人(ren)(ren)信服的(de)(de)數據。（記者 張佳星(xing)）