裴瑩，李惠子，黃艾華，王磊

情緒是人們主觀認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總稱，是對(duì)客觀事物的態(tài)度以及相應(yīng)的行為反應(yīng)，在人們的日常生活中起著至關(guān)重要的作用。認(rèn)知是指人接受外部信息，將其加工轉(zhuǎn)化為內(nèi)部心理活動(dòng)，從而獲得知識(shí)或應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程，包括知覺(jué)、注意、記憶和決策等方面[1]。近年大量研究顯示，情緒與認(rèn)知活動(dòng)關(guān)系密切?，F(xiàn)已證實(shí)，杏仁核-海馬神經(jīng)結(jié)構(gòu)是情緒與認(rèn)知相互作用的基礎(chǔ)[2]。腦電以其客觀、高分辨率的特點(diǎn)，成為評(píng)估情緒和認(rèn)知的重要方法。本文重點(diǎn)闡述腦電在情緒識(shí)別和認(rèn)知評(píng)估領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)情緒與認(rèn)知的相互作用，以及腦電在情感計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。

1 情緒

1.1 情緒的分類

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于情緒分類的研究仍未有明確的定論。為了研究情緒，達(dá)爾文在對(duì)人類和動(dòng)物表情的研究中提出人類最基本的面部表情是喜、怒、哀、樂(lè)[3]。與此相應(yīng)的是，我國(guó)自古就有“喜怒哀樂(lè)悲恐驚”七情的說(shuō)法。而近代的學(xué)者們也分別提出了不同的基本情緒集，如James的情緒集包括愉悅、悲哀、憤怒、恐懼等；Ekman的情緒集包括快樂(lè)、悲傷、恐懼、驚訝、憤怒、厭惡等；Izard的情緒集包括愉快、興趣、驚訝、悲傷、厭惡、輕蔑、恐懼、憤怒、害羞與膽怯等，他們認(rèn)為人類的所有情緒都是由基本情緒集擴(kuò)充而來(lái)的[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了情緒三原色學(xué)說(shuō)，認(rèn)為單胺類神經(jīng)遞質(zhì)是基本情緒的物質(zhì)基礎(chǔ):多巴胺導(dǎo)致愉悅、5-羥色胺導(dǎo)致不愉快和去甲腎上腺素導(dǎo)致喚醒，這3種神經(jīng)遞質(zhì)就像三原色一樣介導(dǎo)著4種基本情緒:恐懼、憤怒、快樂(lè)、悲傷[5]。

隨著對(duì)情緒的深入研究，有學(xué)者提出用不同的維度來(lái)表示情緒。目前最常見(jiàn)的是二維情緒模型，其維度分別是效價(jià)(valence)和喚醒度(arousal)[6]。效價(jià)代表從不愉快到愉快，喚醒度代表從不興奮到興奮，這樣不同的情緒就可以投射到坐標(biāo)系的不同位置(圖1)[7]。

圖1 二維情緒模型

還有一種更簡(jiǎn)單的方法，即是只把情緒分為積極情緒和消極情緒。積極情緒，也稱正性情緒，是指當(dāng)個(gè)體的需求得到滿足時(shí)所產(chǎn)生的伴有愉悅的情感，包括快樂(lè)、自豪和滿足等[8]。消極情緒，又稱負(fù)性情緒，是帶給人不積極體驗(yàn)，可能會(huì)導(dǎo)致軀體不適的情感，包括焦慮、悲傷和恐懼等。

1.2 情緒識(shí)別的方法

情緒識(shí)別主要分為兩大類：一類是基于非生理信號(hào)的識(shí)別，包括表情識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別。面部表情的識(shí)別是根據(jù)面部肌肉運(yùn)動(dòng)與情緒的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行的，在特定情緒下人們會(huì)產(chǎn)生特殊的表情，如心情愉悅時(shí)嘴角會(huì)上翹等[9]。語(yǔ)音語(yǔ)調(diào)的識(shí)別則是由于不同情緒狀態(tài)下人們的語(yǔ)言表達(dá)方式不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如心情煩躁時(shí)語(yǔ)調(diào)會(huì)比較沉悶[10]。這些方法雖然簡(jiǎn)單，但是可靠性差，人們可以偽裝自己的真實(shí)情感，且對(duì)于患有特殊疾病如面神經(jīng)麻痹的患者來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)。

另一類是基于生理信號(hào)的識(shí)別，可分為依據(jù)自主神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過(guò)自主神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行情感識(shí)別的原理是心率、呼吸、體溫等體征會(huì)隨著情緒的變化而發(fā)生改變。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Picard等[11]通過(guò)對(duì)人體自主神經(jīng)系統(tǒng)的測(cè)量和分析，識(shí)別出了生氣、厭惡、憂傷、愉悅、畏懼、開(kāi)心、平靜和浪漫等8種不同的情緒。這些信號(hào)雖不易偽裝，但缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此未得到廣泛應(yīng)用。依據(jù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別是通過(guò)分析不同情境下大腦信號(hào)的差異實(shí)現(xiàn)的，主要包括功能核磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)和腦電圖(electroencephalograph,EEG)等。由于fMRI的設(shè)備體積龐大、成本較高，因此應(yīng)用受限。而EEG設(shè)備簡(jiǎn)單又操作方便，目前受到很多關(guān)注。

1.3 基于EEG的情緒識(shí)別現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著人工智能逐漸興起，腦機(jī)接口(brain computer interface,BCI)成為迫切需要，針對(duì)情感計(jì)算的研究越來(lái)越多，其中EEG以分辨率高、客觀性強(qiáng)，以及相應(yīng)的神經(jīng)生理基礎(chǔ)成為目前情緒識(shí)別研究的熱點(diǎn)。

在情感計(jì)算中，最關(guān)鍵的步驟是提取信號(hào)特征。特征提取是指從采集到的信號(hào)中提取與任務(wù)相關(guān)的能夠反映大腦活動(dòng)的特定信息。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，已從過(guò)去單純的時(shí)域、頻域特征向其他特征探索。Zhang等[12]提取EEG信號(hào)的功率譜密度(power spectral density,PSD)特征用于情緒分類，經(jīng)證實(shí)其效果良好。Zheng等[13]構(gòu)建了基于EEG情感識(shí)別的深層信念網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)提取差分熵特征進(jìn)行建模，結(jié)果證明該方法對(duì)情緒識(shí)別的正確率可達(dá)86.08%。近年研究者又將目光轉(zhuǎn)移到多特征組合上。Zhuang等[14]提取信號(hào)的近似熵、小波熵、Hurst指數(shù)和小波系數(shù)四種特征，通過(guò)特征融合，進(jìn)行情緒識(shí)別，取得很好的識(shí)別效果。此外，多尺度熵、分形維數(shù)、相位同步值等特征也被用于分析EEG信號(hào)。

2 認(rèn)知

2.1 評(píng)估認(rèn)知的方法

認(rèn)知，是指人腦接受外界信息，經(jīng)過(guò)加工處理，轉(zhuǎn)換成內(nèi)在的心理活動(dòng)，從而獲取知識(shí)或應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程。它通常包括記憶、語(yǔ)言、視空間、執(zhí)行、計(jì)算和理解判斷等方面。目前，常用兩種方法來(lái)評(píng)估認(rèn)知功能，分別是傳統(tǒng)的神經(jīng)生理學(xué)量表和認(rèn)知功能成像技術(shù)。臨床上常用的神經(jīng)心理學(xué)量表有：①簡(jiǎn)易精神狀態(tài)評(píng)估量表(the mini-mental state examination,MMSE)：該量表包括定向力、記憶力、注意力和計(jì)算力、回憶力、語(yǔ)言能力等5個(gè)維度，現(xiàn)已成為臨床應(yīng)用最廣泛的認(rèn)知功能評(píng)估量表之一；②蒙特利爾認(rèn)知功能評(píng)估量表(the montreal cognitive assessment,MoCA)：該量表包括執(zhí)行功能、即刻回憶、流暢性、定向、計(jì)算、抽象、延遲回憶、視知覺(jué)、命名、注意等多個(gè)條目，常與MMSE搭配使用，主要用于輕度認(rèn)知功能障礙人群的篩查，與日常生活能力量表(activities of daily living,ADL)聯(lián)合使用可區(qū)分認(rèn)知損害、風(fēng)險(xiǎn)人群和正常人群；③臨床癡呆量表(clinical dementia rating,CDR)：一種認(rèn)知功能分級(jí)評(píng)估工具，可用于篩查癡呆癥和評(píng)估癡呆的嚴(yán)重程度，但仍需要進(jìn)一步評(píng)估以明確診斷；④醫(yī)院焦慮抑郁量表(hospital anxiety and depression scale,HADS)：該量表用于評(píng)估患者的抑郁焦慮情況，可除外焦慮、抑郁所致的假性癡呆；⑤記憶障礙自評(píng)量表(8-item ascertain dementia,AD8)：是一種簡(jiǎn)便易用且具有較高準(zhǔn)確率的記憶測(cè)試量表，通過(guò)8個(gè)與日常生活密切相關(guān)的問(wèn)題，識(shí)別被試者發(fā)生認(rèn)知功能損害的風(fēng)險(xiǎn)。此量表是極早期癡呆的敏感篩查工具。這些量表雖然簡(jiǎn)單易行，但是結(jié)果易受主觀影響，對(duì)疾病的診斷造成偏差。

功能成像技術(shù)以其無(wú)創(chuàng)性、高分辨率和具有相應(yīng)的神經(jīng)生理基礎(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)成為目前認(rèn)知研究的熱點(diǎn)，包括fMRI、腦磁圖(magnetoencephalography,MEG)、EEG等[15]。fMRI基于大腦活動(dòng)時(shí)血氧含量變化，會(huì)引起磁化率的改變，來(lái)進(jìn)行腦功能的評(píng)價(jià)。其具有較高的空間分辨率，但有一定的時(shí)間延遲，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。MEG通過(guò)低溫超導(dǎo)技術(shù)即時(shí)測(cè)量大腦電磁信號(hào),雖在空間定位中有很大優(yōu)勢(shì)，但極易受外界因素干擾，因此應(yīng)用受限。而EEG不僅具有較高的時(shí)空分辨率，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，已被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知科學(xué)研究。

2.2 EEG評(píng)估認(rèn)知的研究現(xiàn)狀

EEG具有實(shí)時(shí)性、易用性、無(wú)創(chuàng)性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，且隨著對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域的深入研究，現(xiàn)已被廣泛用來(lái)評(píng)估認(rèn)知功能[16-17]。 通過(guò)腦電技術(shù)來(lái)評(píng)估認(rèn)知的方法，目前分為兩種：EEG和事件相關(guān)電位(event-related potential,ERP)。

目前已有研究證實(shí)不同頻段的腦電信號(hào)與特定的認(rèn)知功能相關(guān)。Güntekin等[18]對(duì)帕金森病患者和健康人群進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)Oddball刺激試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)θ波振蕩減少與認(rèn)知障礙相關(guān)?；谕箍敌强ㄆ诸悳y(cè)試，Iznak等[19]分析了抑郁癥患者的腦電頻譜參數(shù)，發(fā)現(xiàn)θ、α波頻譜功率與決策能力呈正相關(guān)。Jensen等[20]使用EEG和MEG來(lái)研究gamma波段同步化在認(rèn)知范式中的作用,發(fā)現(xiàn)gamma波振蕩在神經(jīng)元交流和突觸可塑性中發(fā)揮重要作用。

ERP是指給予刺激以特殊的心理意義后，所引起的大腦電位的改變，反映大腦在認(rèn)知活動(dòng)中的神經(jīng)電生理變化，故稱為認(rèn)知電位。根據(jù)是否受刺激的物理性質(zhì)影響，ERP可分為外源性成分和內(nèi)源性成分。其中P300是目前研究最多的內(nèi)源性成分，指受試者受到刺激約300 ms時(shí)，從頭皮表面記錄到的正相電位。目前普遍認(rèn)為P300起源于大腦額葉、顳葉及枕葉等交界處的皮質(zhì)聯(lián)合區(qū)，受皮質(zhì)下對(duì)應(yīng)的某些核團(tuán)調(diào)節(jié)及控制，由皮層-邊緣系統(tǒng)等部位共同發(fā)揮作用，反映被試者在清醒狀態(tài)下所表現(xiàn)的注意力、判斷力、執(zhí)行力及記憶力等多種心理活動(dòng)，可作為認(rèn)知功能的評(píng)定指標(biāo)[21]。其潛伏期代表對(duì)外界刺激的識(shí)別、分類和編碼的速度，而波幅反映大腦為接受信息所投入的有效資源量。有研究證實(shí)，P300潛伏期和波幅的變化與認(rèn)知障礙的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[22]。

3 情緒與認(rèn)知的關(guān)系

大量研究表明，情緒與認(rèn)知二者具有交互性，一方面情緒會(huì)影響認(rèn)知的各個(gè)維度，另一方面通過(guò)調(diào)節(jié)認(rèn)知可以控制情緒。杏仁核-海馬交互系統(tǒng)被認(rèn)為是情緒和認(rèn)知相互作用的神經(jīng)基礎(chǔ)，杏仁核調(diào)節(jié)海馬依賴性記憶的編碼和儲(chǔ)存，而海馬通過(guò)解讀刺激來(lái)影響杏仁核。

一般來(lái)說(shuō)，積極情緒促進(jìn)認(rèn)知功能，而消極情緒阻礙正常認(rèn)知。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①知覺(jué)：情緒影響對(duì)事物的感知，即使是已經(jīng)根深蒂固的事情，也會(huì)因情緒狀態(tài)的不同而發(fā)生偏移。以不同類型的音樂(lè)為背景，讓被試者對(duì)同一座山峰的陡峭程度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)悲傷的音樂(lè)讓被試者感覺(jué)山峰更加陡峭[23]；②注意：在日常生活中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)心境溫和時(shí)會(huì)對(duì)周圍的事物觀察得更加仔細(xì)，而煩躁時(shí)常會(huì)忽略很多細(xì)節(jié)。對(duì)此，王艷梅等[24]的研究表明，與消極狀態(tài)相比，人在積極狀態(tài)下會(huì)減少任務(wù)轉(zhuǎn)換的損失，擴(kuò)大注意的范圍；③決策：人在良好的情緒狀態(tài)下，常常思維敏捷,條理清晰,推理嚴(yán)謹(jǐn),能夠更好地進(jìn)行決策。相反,不良的心境會(huì)干擾對(duì)事物的正確認(rèn)識(shí)和理解,致使作出不正確的決定。Gasper和Clore的研究表明積極情緒下的人更傾向于全局性思維，降低發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率[25]；④記憶：最有代表性的研究是Baddeley修訂后的工作記憶模型，通過(guò)增加情景緩沖區(qū)來(lái)描述情緒對(duì)工作記憶的影響，發(fā)現(xiàn)積極或消極情緒都會(huì)使記憶編碼更加牢固、更易提取[26]。

認(rèn)知對(duì)人類情感的形成具有重要意義,表現(xiàn)為通過(guò)認(rèn)知來(lái)判斷其期望或者要求是否得到滿足,由此可產(chǎn)生正性或負(fù)性的情緒。目前認(rèn)為,認(rèn)知是直接決定人們情感狀態(tài)的關(guān)鍵因素，尤其是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。例如當(dāng)一個(gè)認(rèn)知結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人想要處理事情時(shí),往往會(huì)從多種角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和評(píng)估,選擇最優(yōu)化的解決方案,這時(shí)所產(chǎn)生的情緒狀態(tài)就會(huì)很溫和;但若其認(rèn)知結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,就易由較少的依據(jù)得出極端化的結(jié)論,產(chǎn)生強(qiáng)烈的情感。

4 應(yīng)用前景

隨著生活壓力的增大，人們的負(fù)性認(rèn)知也隨之增加[27]。為此，對(duì)情緒進(jìn)行及時(shí)有效的識(shí)別與評(píng)估，既便于醫(yī)護(hù)人員更加快速準(zhǔn)確地診療，又可以讓人們根據(jù)情緒反饋的結(jié)果進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。由于互聯(lián)網(wǎng)的普及，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行線上教育已經(jīng)成為越來(lái)越多現(xiàn)代人的選擇。通過(guò)基于腦電的情緒識(shí)別，教師可以實(shí)時(shí)地了解學(xué)生的精神狀態(tài)，并以此適當(dāng)?shù)卣{(diào)整授課方式，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教育[28]。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，情緒評(píng)估可用于新品的開(kāi)發(fā)以及宣傳效果的評(píng)估，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品上市后的競(jìng)爭(zhēng)力。并且隨著人工智能的發(fā)展，智能家居、智能機(jī)器等一系列產(chǎn)品問(wèn)世，情緒識(shí)別將使這些產(chǎn)品更加的智能化。此外，在軍事領(lǐng)域，Lin等[29]通過(guò)在士兵頭盔中放置電極，開(kāi)發(fā)出可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)士兵工作壓力的可移動(dòng)系統(tǒng)。指揮官可以通過(guò)該系統(tǒng)更好地了解士兵的情緒狀態(tài)，合理地分配任務(wù)。

5 展望

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的壓力不斷增大，負(fù)性認(rèn)知隨之增加，由此導(dǎo)致的事故也相應(yīng)增多，如公交墜湖事件。若能及時(shí)評(píng)估情緒和認(rèn)知，就可讓人們進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，減少惡性事件的發(fā)生。腦電在情緒識(shí)別和認(rèn)知評(píng)估方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但需要由專業(yè)醫(yī)師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并不能應(yīng)用于日常生活，因此基于可穿戴式腦電設(shè)備的情緒識(shí)別及認(rèn)知評(píng)估系統(tǒng)的研發(fā)將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。