腦機(jī)接口助力學(xué)生提高注意力水平

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摘 要：在“人工智能”、“大數(shù)據(jù)”等概念的提出與飛速發(fā)展之后，腦機(jī)接口作為一種亟待發(fā)展的新興技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。由于工作環(huán)境要求比較苛刻，該技術(shù)雖然在近幾年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，但大部分成果還是局限于臨床與實(shí)驗(yàn)室。本文從提高學(xué)生注意力的角度，在保證了腦機(jī)接口工作環(huán)境的條件下提出了一種將腦機(jī)接口與正念訓(xùn)練結(jié)合，利用生物神經(jīng)反饋實(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)生注意力變化并在其走神時(shí)發(fā)出提醒，進(jìn)而糾正學(xué)生并使其恢復(fù)專(zhuān)注，以達(dá)到提高學(xué)生注意力的目的。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口;意力;正念;生物神經(jīng)反饋

中圖分類(lèi)號(hào)：R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0240-02

0 引言

2019年7月16日，“硅谷鋼鐵俠”召開(kāi)其投資的Neuralink的發(fā)布會(huì)，宣告取得重大進(jìn)展。該發(fā)布會(huì)的召開(kāi)也反映了腦機(jī)接口技術(shù)的又一次進(jìn)步，也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們就能夠純粹使用意念進(jìn)行通信。與此同時(shí)，人們也在發(fā)出疑問(wèn)：對(duì)于大多數(shù)普通人而言，腦機(jī)接口有著怎樣的意義呢？

的確，腦機(jī)接口作為長(zhǎng)期局限在實(shí)驗(yàn)室、病床上的一種技術(shù)，對(duì)大多數(shù)普通人而言，似乎只有在醫(yī)療領(lǐng)域才有意義。但實(shí)際上腦機(jī)接口對(duì)于普羅大眾的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)比人們所認(rèn)為的廣得多，筆者在此介紹一種將腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域、用以提高學(xué)生注意力的應(yīng)用思路。

1 腦機(jī)接口

1.1 腦機(jī)接口的定義

顧名思義，腦機(jī)接口是一種設(shè)置在人腦與計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸接口，理想的情況下能夠直接采集大腦信息，越過(guò)語(yǔ)言、肢體等要素直接實(shí)現(xiàn)人腦與外界的交互。

1.2 腦機(jī)接口的種類(lèi)

人的大腦被公認(rèn)為是最為復(fù)雜的生理系統(tǒng)，人類(lèi)的意識(shí)、想法、情感等均起源于此。如何檢測(cè)與人的大腦皮層活動(dòng)一同出現(xiàn)的生理電位也成為了腦機(jī)接口首先要面對(duì)的問(wèn)題。一般認(rèn)為，人的大腦活動(dòng)是由神經(jīng)元的興奮所組成的，興奮的產(chǎn)生會(huì)在神經(jīng)元上引發(fā)電位的尖峰，不同神經(jīng)元的電位變化沿著大腦皮層、顱骨等外層組織進(jìn)行傳遞，在人的頭皮上疊加出連續(xù)的電位變化。

為了監(jiān)測(cè)到上述的電位變化，就必須加裝電位傳感器的探頭，也就是電極。由此腦機(jī)接口系統(tǒng)整體上可以劃分為三小類(lèi)，二大類(lèi)。第一個(gè)小類(lèi)是將微型電極或電極陣列直接植入大腦的神經(jīng)元上，記錄神經(jīng)元的電位變化，這不僅需要打開(kāi)顱骨，還需要穿刺過(guò)大腦皮質(zhì)，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)這種電極放置方式都是難以實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)槿说娘B骨與皮質(zhì)、皮質(zhì)與神經(jīng)元之間都是存在微小位移的，剛性的外來(lái)電極很有可能會(huì)對(duì)顱內(nèi)結(jié)構(gòu)造成損傷;第二個(gè)小類(lèi)是在人的大腦皮質(zhì)表面放置電極，這種實(shí)現(xiàn)方式雖然不需要穿刺皮質(zhì)，但仍然需要考慮大腦皮質(zhì)與顱骨之間的唯一以及顱骨的創(chuàng)口;第三小類(lèi)則是直接在人的頭皮上放置電極進(jìn)行檢測(cè)。

這三種方式實(shí)現(xiàn)難度、應(yīng)用場(chǎng)景等各不相同。前兩小類(lèi)屬于第一大類(lèi)，一般認(rèn)為是侵入式腦機(jī)接口，這種腦機(jī)接口能夠較好地保證較高的空間分辨率、較高的信噪比，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，由于需要開(kāi)顱手術(shù)，侵入式腦機(jī)接口難以在普通試驗(yàn)者身上進(jìn)行測(cè)試，往往需要尋找特殊病患來(lái)配合科研工作者。第三小類(lèi)也被稱(chēng)為非侵入式腦機(jī)接口，這種腦機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)在于使用方便、普適性強(qiáng)，但由于顱骨對(duì)神經(jīng)電信號(hào)本身的強(qiáng)削弱作用和電信號(hào)在傳導(dǎo)過(guò)程中的多路徑效應(yīng)，非侵入式腦機(jī)接口的信號(hào)質(zhì)量一般都比較差，需要開(kāi)發(fā)者在算法環(huán)節(jié)進(jìn)行比較多的研究和探索。

1.3 腦機(jī)接口的原理、特點(diǎn)和適用人群

一般認(rèn)為，腦機(jī)接口由三部分組成，即信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和交互模塊。信號(hào)采集模塊顧名思義，負(fù)責(zé)對(duì)人的腦電信號(hào)進(jìn)行采集，具體步驟包括電極的初步采集，信號(hào)放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換和向下個(gè)模塊的信號(hào)傳輸。信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)采集模塊輸送的腦電信號(hào)按照預(yù)定的算法進(jìn)行處理，一般包括預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別三個(gè)部分。交互模塊為使用者提供了應(yīng)用腦電信號(hào)的平臺(tái)，在理論上該模塊既負(fù)責(zé)腦電信號(hào)的對(duì)外輸出，也負(fù)責(zé)外部信號(hào)的接入，但當(dāng)前的技術(shù)條件只允許開(kāi)發(fā)者利用腦電信號(hào)作為控制信號(hào)進(jìn)行輸出。因此，當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)中最為重要的技術(shù)環(huán)節(jié)就是對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別，分辨出哪些是可以利用的信號(hào)，哪些是噪音，并將這些有用信號(hào)轉(zhuǎn)化為更加具體的指令。但值得注意的是，要想真正實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的進(jìn)步和普及，信號(hào)采集模塊的信噪比、靈敏度也是勢(shì)必要提升的性能指標(biāo)。

2 注意力及其重要性

2.1 注意力定義

目前廣泛認(rèn)可的注意力定義是指一個(gè)人在做某件事時(shí)能偶不為外界事物所打擾，對(duì)眼前工作專(zhuān)心致志的能力;同時(shí)也表現(xiàn)為根據(jù)自身需求，不為外界環(huán)境變化干擾并能及時(shí)轉(zhuǎn)變注意對(duì)象的能力。

注意力在心理學(xué)上強(qiáng)調(diào)兩個(gè)特征：集中性、指向性。其具體衡量指標(biāo)有四個(gè)：注意力的穩(wěn)定性、注意的廣度、注意的分配、注意的轉(zhuǎn)移。

2.2 注意力的重要性

沒(méi)有人可以否認(rèn)在當(dāng)今時(shí)代，保持專(zhuān)注是各行各業(yè)都在追求的一種能力。對(duì)于學(xué)生而言，盡早培養(yǎng)起專(zhuān)注當(dāng)下、不為外界干擾的能力，對(duì)于學(xué)生本身的學(xué)習(xí)和未來(lái)的發(fā)展大有裨益。更重要的是，專(zhuān)注能夠大大提高時(shí)間利用率，讓學(xué)生能夠有更多的時(shí)間發(fā)展自己，拓展其他素質(zhì)。

3 正念訓(xùn)練與生物神經(jīng)反饋

正念訓(xùn)練這一概念最初在心理學(xué)上被提出，是一種在心理學(xué)上應(yīng)用頗廣的治療方法。其目的是提高學(xué)生的注意力。正念訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)形式有很多，既有聽(tīng)覺(jué)上的，又有視覺(jué)上的，一種非常典型的方式就是冥想。但不論形式是什么，其主要目的都是使人專(zhuān)注于某件事情。這種目的聽(tīng)起來(lái)是自相矛盾的——既然注意力已經(jīng)不集中了，又如何讓其專(zhuān)注于某件事情呢？因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的注意力狀態(tài)就成為了訓(xùn)練注意力最為重要的任務(wù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的研究，已經(jīng)可以確定當(dāng)人的大腦處在不同的工作狀態(tài)時(shí)，腦電（EEG）對(duì)應(yīng)著不同的工作頻率。例如，一般認(rèn)為人腦最容易分辨的有四個(gè)波段，即δ（1-3Hz）、θ（4-7Hz）、α（8-13Hz）、β（14-30Hz）：當(dāng)人在極度的疲勞、昏睡或麻醉狀態(tài)時(shí)，可以在顳葉和頂葉檢測(cè)到第一種波段;當(dāng)人在青少年時(shí)期θ波段更加顯著;α波段是正常人腦電的基本節(jié)律，也是不接受外界刺激時(shí)的主要成分（例如閉眼睛）;當(dāng)人處于激動(dòng)、亢奮的狀態(tài)（例如夢(mèng)中驚醒）時(shí)，β波段的成分將會(huì)大大增強(qiáng)。總之，腦電的呈現(xiàn)形式與人的狀態(tài)、動(dòng)作息息相關(guān)，心情的變化、眼睛的眨動(dòng)都會(huì)影響腦電的波形。反之，腦電的變化也能夠呈現(xiàn)人的變化。因此，腦電可以作為判斷用戶(hù)狀態(tài)的重要參考。

實(shí)際上，隨著腦機(jī)接口的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)有人使用腦電生物反饋訓(xùn)練來(lái)加強(qiáng)人的記憶力。所謂腦電生物反饋，即通過(guò)腦機(jī)接口實(shí)時(shí)采集用戶(hù)腦電并加以分析，將其當(dāng)前狀態(tài)輸出，并交由計(jì)算機(jī)或?qū)＜医o出訓(xùn)練建議。這種方式能夠幫助用戶(hù)養(yǎng)成良好用腦習(xí)慣。

因此，只要我們能夠及時(shí)地提醒用戶(hù)，那么用戶(hù)就能集中注意力，完成相應(yīng)的任務(wù)。而及時(shí)提醒的任務(wù)就需要腦機(jī)接口來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的注意力情況。在理想情況中，腦機(jī)接口可以記錄人腦所有的數(shù)據(jù)，因此我們可以通過(guò)對(duì)腦機(jī)接口的信息進(jìn)行解碼來(lái)獲悉用戶(hù)的狀態(tài)。但是在當(dāng)前的技術(shù)階段和法律規(guī)定條件下，我們并沒(méi)有辦法做到在各種情況下對(duì)人的腦電監(jiān)測(cè)。因此，雖然腦機(jī)接口技術(shù)本身的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，但對(duì)于具體的某個(gè)腦機(jī)接口產(chǎn)品而言，其適用的場(chǎng)景往往是有限的，在當(dāng)前的技術(shù)條件下使用腦機(jī)接口來(lái)監(jiān)測(cè)學(xué)生在讀書(shū)、吃飯、跑步等各種情況下的注意力情況。但是，正念訓(xùn)練的結(jié)果是普適性的，即如果學(xué)生能夠在冥想過(guò)程中通過(guò)生物神經(jīng)反饋強(qiáng)化注意力，那么這種生理性的提高在其他學(xué)習(xí)、工作的過(guò)程中是仍然存在和保持的。因此，開(kāi)發(fā)者只需要能夠做到在有限個(gè)簡(jiǎn)單的正念訓(xùn)練中對(duì)用戶(hù)的注意力監(jiān)測(cè)（即各個(gè)腦電波段的動(dòng)態(tài)變化情況），就可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)用戶(hù)的注意力狀況，也就可以適時(shí)地對(duì)用戶(hù)的狀態(tài)加以糾正和提醒，讓走神的用戶(hù)重新回到專(zhuān)注的狀態(tài)。

綜上，腦機(jī)接口對(duì)學(xué)生注意力的提升絕不是僅限于學(xué)校場(chǎng)景，實(shí)際上在家庭生活中也完全可以實(shí)現(xiàn)。但就目前的發(fā)展?fàn)顩r而言，腦機(jī)接口的使用仍然需要一個(gè)相對(duì)安靜、少干擾的環(huán)境，因此可能需要在家庭和學(xué)校這樣的地點(diǎn)進(jìn)行。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等與腦機(jī)接口相關(guān)的技術(shù)的發(fā)展，更加便攜、靈活的腦機(jī)接口硬件必定會(huì)問(wèn)世，也能夠更好地幫助在校學(xué)生提高注意力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的主旨在于討論使用腦機(jī)接口提升學(xué)生的注意力的可能，實(shí)際上在國(guó)外已經(jīng)有著非常成熟的神物神經(jīng)反饋技術(shù)，這些技術(shù)不僅用在提升注意力的領(lǐng)域，在幫助中風(fēng)患者恢復(fù)身體機(jī)能、提升嬰幼兒記憶力、促進(jìn)腦發(fā)育等方面都有著或多或少的應(yīng)用。筆者希望在不遠(yuǎn)的將來(lái)市場(chǎng)上能夠出現(xiàn)這種家庭使用的提升注意力的腦機(jī)接口產(chǎn)品，通過(guò)簡(jiǎn)單的任務(wù)來(lái)訓(xùn)練使用者的注意力。

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