脑电神经反馈:一种前景广阔的注意力训练方法

周茂洋,高子奇,史 康,刘建军,梁 伟,毋 琳,张俊鹏,武圣君

(1.军事医学科学院,北京 100850;2.空军93671部队,南阳 474350;3.空军军医大学医学心理学系,西安 710032;4.空军军医大学教务处,西安 710032;5.空军第986医院门诊部,西安 710032)

1 EEG-NF的简介

脑电神经反馈electroencephalogram-neurofeedback,EEG-NF即一种基于脑电图的无创大脑刺激形式通过脑机接口把从个体大脑中提取的电生理活动特征以实时反馈刺激的形式呈现给个体,使个体在反馈刺激的强化作用下学习自我调节大脑活动。

脑电神经反馈是历史最为悠久应用最为广泛的神经反馈方式,它早在上世纪60年代就被Wyrwicka和Sterman应用在了对猫感觉运动皮层的神经反馈中(Wyrwicka,Sterman,& Behavior,1968)。发展到今天,它已经在临床研究和神经科学启发的研究中得到了较大规模的运用(Enriquez-Geppert,Smit,Pimenta,& Arns,2019)。它可以作为一种治疗工具使偏离的大脑活动正常化并作为一种辅助疗法用于治疗认知障碍和心理疾病(Markiewcz,2017),也可以作为一种提高健康参与者的认知能力的训练(Gruzelier,2014;Mirifar,Beckmann,& Ehrlenspiel,2017;Son,Does,Band,& Putman,2020),还可以作为一种研究神经振荡在认知和行为中的因果作用的实验方法(Bagherzadeh,Baldauf,Pantazis,& Desimone,2020;Clarke,Barry,Karamacoska,& Johnstone,2019;Deiber et al.,2020)。

1.1 EEG-NF的基本步骤

脑电神经反馈遵循以下的基本步骤(Enriquez-Geppert et al.,2019):(1)测量参与者的大脑电生理活动。(2)进行预处理。(3)根据预先选择的大脑参数(特定的频带或脑电位)进行计算。(4)转换成信号,实时反馈给用户。(5)大脑活动的某些特征可以被参与者感知。

通过这种反馈,参与者可以学会自我调节自己的大脑活动,从而直接改变认知和行为的潜在神经机制。

1.1.1 脑电信号的获取

测量大脑电生理活动依靠的是测量头皮电活动的电极。最新的带有干电极的脑电图记录系统是便携式的(Puce &Hamalainen,2017),具有蓝牙/Wi-Fi功能(Gargiulo et al.,2010),可由智能手机控制(Stopczynski,Stahlhut,Larsen,Petersen,& Hansen,2013),受试者甚至可以在实验室外散步(Debener,Minow,Emkes,Gandras,& de Vos,2012)。

1.1.2 脑电信号的处理

这一项包括了对脑电信号的预处理和计算预先设定的大脑参数两步。预处理是对脑电信号的常规处理,一般依靠相关软件。常用的处理软件有:MATLAB、EDFbrowser、EDFlib和MNE等。MATLAB是学术界应用最为广泛的一款软件,提供了信号处理和统计分析等多个工具箱,功能强大,几乎已成为EEG信号处理的标配。

计算预先设定的大脑参数即分析选定的脑电特征。常选用的脑电特征是频率(脑电图频带的功率比)、连接性特征(两个或多个大脑区域之间的关联程度和脑波在时间上的相位、振幅和频率的相似性)(Heinrich,Gevensleben,Strehl,& Psychiatry,2007)和慢皮层电位(调节特定的事件相关电位,反映了局部皮层的唤醒和注意力水平)。

1.1.3 神经反馈的实施

将以上步骤获取的数字信息转化为刺激再呈现给受试者的过程就是神经反馈中的反馈。反馈的形式是多种多样的,最常见的反馈是改变任务的难度(Debettencourt,Cohen,Lee,Norman,& Turk-Browne,2015)、获得某种奖励(Gruzelier,Foks,Steffert,Chen,& Ros,2014)和引入某种提示。这种提示可以是视觉(Ordikhani-Seyedlar,Lebedev,Sorensen,& Puthusserypady,2016)、听觉(Gadea,Alio,Garijo,Espert,& Salvador,2016)或是触觉(Fleury,Lioi,Barillot,& Lecuyer,2020)的,也可以是多种感觉组合的。

1.1.4 参与者对大脑活动进行自我调节

学会如何对自己的大脑活动进行自我调节是一项需要参与者自身努力的工作,参与者的动机很大程度上会影响训练的效果。过低的动机会使参与者难以跨过训练中的障碍(Hofmann,Schmeichel,& Baddeley,2012),无聊的任务会使参与者失去继续训练的兴趣(Ute,2014);而过高的动机可能会导致认知超载而对训练产生负面影响(Matthias,Erika,Manuel,Christa,& Guilherme,2013)。

1.2 标准的脑电神经反馈方案

1.2.1 SCP训练

SCP(slow cortical potential)即皮层慢电位。SCP神经反馈是建立在皮层激活和抑制的自我调节的基础上的,而这种激活和抑制分别与特定的事件相关电位即皮层慢电位偏移的电负性和电正性有关(Enriquez-Geppert et al.,2019)。这种训练的目的是提高SCP的自我调节能力,从而在一定程度上提高其调节皮层兴奋性的能力(Omejc,Rojc,Battaglini,& Marusic,2019)。

1.2.2 SMR训练

SMR(sensori-motor rhythm)即感觉运动节律。SMR节律记录在感觉运动皮层上,受丘脑腹侧基底控制,在运动安静状态下增强,因此增强SMR节律可以减少不安和运动冲动,促进注意力放松和持续集中(Sterman &Self-regulation,1996)。临床上已经证明SMR训练可以改善注意力有关的警觉状态(Micoulaud-Franchi,Bat-Pitault,Cermolacce,& Vion-Dury,2011)。

1.2.3 TBR训练

TBR(theta/beta rhythm)即θ/β节律。θ/β比值是认知加工能力的一个标志,与P300潜伏期有关,而与振幅无关(Clarke et al.,2019)。而P300被发现与许多认知过程有关,包括决策、信号概率、注意力、辨别力、不确定性解决、刺激相关性和信息传递(Dinteren,Arns,Jongsma,& Kessels,2014)。Clarke等人在2019年的一项研究支持了θ和β的比值是认知加工能力的一个标志的假设(Clarke et al.,2019)。

2 EEG-NF的实际应用

2.1 EEG-NF在ADHD治疗中的应用

早在上世纪70年代,就出现了第一个使用EEG-NF治疗ADHD的阳性试验(Lubar &Shouse,1976),在本世纪,设计良好的随机对照试验大量开展(Moriyama et al.,2012)。现如今,根据APA制定的证据评级指南,“标准”神经反馈协议被认为是治疗ADHD的“有效和特异的V级水平”,被认为是治疗ADHD的一种可行方案(Enriquez-Geppert et al.,2019)。

尽管长期以来,对于EEG-NF对ADHD的疗效的质疑层出不穷,有的质疑EEG-NF的训练效果来自安慰剂效应(Thibault &Raz,2017),有的发现此方法效果不如药物治疗(Geladé et al.,2017),还有的发现在长期随访中脑电频谱的改变没有特异性(Janssen et al.,2020),但这些质疑的提出都是为了更好的改进这种方法,而不是否定这种方法。

EEG-NF已经通过了大量的临床实践,2019年的一项meta分析显示,现有的三个标准的神经反馈训练方案,即TBR训练,SMR训练和SCP训练,被证明是有效和具体的(Enriquez-Geppert et al.,2019)。而且不断有新的研究对这种方法进行效果的证实,无论是在临床效果上还是在神经机制上。2022年的一项meta分析显示,与单独药物治疗ADHD患者相比,使用脑电图-药物联合治疗在改善患者的全身症状和注意力不集中症状上有着明显的益处(Lin et al.,2022)。2021年的一项临床实验也显示,在神经反馈训练后,ADHD患者的神经有效连接性(effective connectivity)有显著改善(Wang et al.,2021)。

对比ADHD治疗的其他方法,EEG-NF的优点是明显的。首先,它不像药物治疗那样会带来难以避免的不良反应(Khajehpiri et al.,2014),不像正念冥想训练那样疗效难以确定(Evans et al.,2018),也不像经颅电刺激那样有潜在的危险性(Wurzman,Hamilton,Pascual-Leone,& Fox,2016)。而且,它可以作为上述几种方法的辅助治疗手段起到很好的效果。

2.2 EEG-NF在其他方面的应用

脑电神经反馈广泛用于神经、躯体和精神疾病的治疗,包括抑郁症、厌食症、阅读障碍、书写障碍、精神分裂症、药物滥用、PTSD和老年痴呆症等疾病的治疗(Markiewcz,2017)。EEG-NF的使用和研究已进一步扩展到健康人群(Viviani &Vallesi,2021),并已被用于改善运动员的表现训练(Mirifar et al.,2017),辅助外科手术(Kratzke et al.,2021)等方面。

3 EEG-NF的前景与未来发展

作为一种重要的认知训练和精神疾病治疗方法,EEG-NF当前仍是研究的热点问题。一方面,研究者希望通过改进EEG-NF的方案来将其应用在更多的领域,取得更有说服力的实验结果;另一方面,由于fMRI等技术以及神经生物学和脑科学的进步,将EEG-NF与其他技术联合应用以及进一步探明EEG-NF的相关机制的研究也有了进一步的突破。

3.1 EEG-NF方案的改进

对EEG-NF的方案改进可以归为两个方向。一是将已有的EEG-NF方案进一步标准化,二是在EEG-NF方案的细节上做出灵活的改进,因为EEG-NF过程中的一些细节如个人动机、反馈方式和疗程设置等对EEG-NF的效果也有着较大的影响。

比如,2020年的一项研究(Sekhavat,2020)通过一个多人注意力训练赛车游戏,利用脑电信号来调整游戏的难度参数,以鼓励玩家提高和保持注意力水平,通过提升参训者的动机,起到了很好的训练效果。另外,改变反馈的形式也是一种很好的尝试,传统的EEG-NF依赖视觉或听觉进行反馈。视听结合的(Wang,Wang,& Hou,2020)、依赖触觉的(Wang,Li,Afzal,Zhang,& Zhang,2019),甚至依赖Virtual Reality(Juliano et al.,2020;Vourvopoulos et al.,2019)的EEG-NF方案都取得了很好的效果。

3.2 EEG-NF应用范围的扩展

EEG-NF最经典的应用人群是ADHD患者,其次是抑郁、焦虑、自闭症、癫痫、睡眠障碍等精神疾病患者(Mirifar et al.,2017)以及需要康复治疗的脑创伤、脑卒中等神经系统疾病患者(Pichiorri &Mattia,2020)。在这些应用人群中,临床研究和理论研究大量开展,但与此同时,新的应用人群的探索也在进行中。比较保守的探索把应用人群扩展到老年人(Bielas &Michalczyk,2021;Jiang,Abiri,& Zhao,2017)和学习障碍的学生(Azizi,Drikvand,& Sepahvandi,2018),这些人本身的认知能力就弱于常人,在它们身上进行EEG-NF与在ADHD患者身上类似。

对正常人群的EEG-NF应用的探索也在进行中,尽管过程并不顺利。2018年的一篇综述对在健康人群中开展的EEG-NF进行了总结(Azizi et al.,2018),结果并不乐观。近期的研究也没有得到乐观的结果(Son et al.,2020)。但考虑到现有的EEG-NF方案是为了治疗ADHD等精神疾病,只能说现有的EEG-NF方案难以起到对健康人的提升效果,而不能从整体上否认EEG-NF对健康人的效果。

3.3 相关机制的研究

EEG-NF的神经机制十分复杂,当前学界对其了解还远远不够。长期以来,对EEG-NF方案有效性评估主要依赖观察脑电频谱的改变、认知能力的改变以及这两者间的对应关系,而对EEG-NF诱导的神经可塑性的研究主要还停留在理论阶段。但随着脑科学的进步,探索NF的神经可塑性效应(Batail et al.,2019)的相关研究越来越多,如ADHD儿童神经反馈前后静息EEG有效连通性差异的研究(Wang et al.,2021)、脑-机接口一小时后大脑可塑性的改变(Aggensteiner et al.,2019)等。这些研究的结果大多是乐观的,但EEG-NF的神经机制还需要更深入的研究。

另外,神经反馈本身的相关机制也有待进一步探究,如反馈学习机制的综合模型和自我调节的神经机制。虽然对有关问题的研究已经取得了一些成果(Gaume,Vialatte,Mora-Sánchez,Ramdani,& Vialatte,2016;Ordikhani-Seyedlar et al.,2016),但距离形成有实用价值的完备体系还有很远的距离。另外,一些心理因素如意识在神经反馈学习中的作用也受到了人们的关注(Muoz-Moldes &Cleeremans,2020;Nan,Yang,Wan,Zhu,& Hu,2020),它们对神经反馈也有很大的影响(Kadosh &Staunton,2019)。

3.4 与其他方法的联合应用

EEG-NF最具前景的方面就是与其他方法的联合应用,常见的注意力训练方法如认知训练、视频游戏和正念冥想,都可以与EEG-NF联合应用。

2015年的一项基于EEG-NF改进的对老年人的认知训练(Lee et al.,2015),显示出良好的效果;2019年的一项EEG-NF研究联合认知训练游戏以尝试加强健康老年女性和认知障碍女性的注意力(Jirayucharoensak,Israsena,Pan-Ngum,Hemrungrojn,& Maes,2019),显示了EEG-NF与认知训练游戏联合应用可能取得更好的疗效。关于视频游戏与EEG-NF的联合应用还在构想中,在2020年的一篇论文中(Sagiadinou &Plerou,2020),提出了一个结合了神经反馈技术和视频游戏实施关于ADD和ADHD治疗的三重框架。2019年的一项针对运动员的研究(Crivelli,Fronda,& Balconi,2019),显示了正念-神经反馈联合方案在改善运动情境下的心理健康和注意力调节方面的可行性和潜力。

另一种可行的思路是联合应用EEG和fMRI,fMRI具有高空间分辨率,克服了EEG-NF无法进行空间定位的缺陷(Weiskopf,2012),也为进一步探究EEG-NF的神经机制提供了工具(Wang et al.,2021)。

4 现阶段EEG-NF应用中的重点问题

4.1 实验设计问题

实验设计方面存在的问题为EEG-NF带来了许多质疑,因为前些年尽管产生大量的研究成果,但许多关于EEG-NF的研究结果的显著性和实验设计的严谨性欠佳,如受试者数量少或在双盲和随机对照方面欠缺考虑(Omejc et al.,2019)。不过,近些年EEG-NF实验设计的科学性有了明显的改善,出现了一些设计严密的随机对照实验(Aggensteiner et al.,2019;Geladé et al.,2017)。

双盲是排除安慰剂作用、提高实验严谨性的重要手段,但有时对双盲的适当放弃更加有利于研究的进展。前人的大量研究已经表明了EEG-NF确实有效,放弃双盲虽然有损实验严谨,但可以让研究者们放开手脚,因为双盲本身就会影响神经反馈的效果(Logemann,Lansbergen,Van Os,Böcker,& Kenemans,2010)。双盲意味着就算是脑电反馈治疗师也接受不到真实的受试者的实时信号,就无法有效的手动调整奖励阈值或只能使用自动奖励阈值调整,这会很大程度上影响EEG-NF的效果(Logemann et al.,2010)。EEG-NF的治疗效果很大一部分来自于神经反馈这一部分,即来自于参与者的反馈学习和自我调节,如果过于注重实验的严谨性而忽略EEG-NF作为一种心理治疗手段的属性,就难免止步不前。令人欣慰的是,EEG-NF的研究方向确实正在从评估该方法有效性的经典临床标准(将标准化双盲随机实验视为最佳方法)向更适合神经心理治疗的其他方法转变(Omejc et al.,2019)。

4.2 长期效果问题

EEG-NF在ADHD的治疗中能否达到长期效果一直是一个悬而未决的问题,这方面相关的研究很少,一篇发表在2019年的对ADHD的NF治疗长期效果的meta分析仅仅纳入了10篇文章(Van Doren et al.,2019)。尽管也有研究对EEG-NF的长期效果评估得到了乐观的结论(Aggensteiner et al.,2019)。然而,由于反对论据的存在(Janssen et al.,2020)和相关研究的严重匮乏,EEG-NF的长期效果还需要更多研究的证实。

4.3 方案的实行问题

尽管已经有了标准的EEG-NF方案,但因为缺乏详细的指南和国际标准,训练中使用的参数,如何调整奖励阈值以及疗程的具体设置等大量的内容还需要施训者和研究人员根据自身经验和具体情况独立选择(Omejc et al.,2019)。缺乏监管和公认的标准还导致了行业的乱象(Enriquez-Geppert et al.,2019)。

5 总结与展望

虽然现阶段EEG-NF还存在许多问题,但这不影响它在注意力训练领域的巨大潜力。不断改进的EEG-NF技术,未来可能应用在医生、飞行员和军人等注意力要求极高的职业培训中。EEG-NF在神经可塑性方面的研究成果,为存在学习困难的学生和存在注意力缺陷的儿童带来了希望。EEG-NF有望作为一种注意力训练方法在未来得到更广泛的应用和更深入的研究。