周茂洋,高子奇,史 康,劉建軍,梁 偉,毋 琳,張俊鵬,武圣君

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院,北京 100850;2.空軍93671部隊(duì),南陽 474350;3.空軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)心理學(xué)系,西安 710032;4.空軍軍醫(yī)大學(xué)教務(wù)處,西安 710032;5.空軍第986醫(yī)院門診部,西安 710032)

1 EEG-NF的簡介

腦電神經(jīng)反饋electroencephalogram-neurofeedback,EEG-NF即一種基于腦電圖的無創(chuàng)大腦刺激形式通過腦機(jī)接口把從個(gè)體大腦中提取的電生理活動特征以實(shí)時(shí)反饋刺激的形式呈現(xiàn)給個(gè)體,使個(gè)體在反饋刺激的強(qiáng)化作用下學(xué)習(xí)自我調(diào)節(jié)大腦活動。

腦電神經(jīng)反饋是歷史最為悠久應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)反饋方式,它早在上世紀(jì)60年代就被Wyrwicka和Sterman應(yīng)用在了對貓感覺運(yùn)動皮層的神經(jīng)反饋中(Wyrwicka,Sterman,& Behavior,1968)。發(fā)展到今天,它已經(jīng)在臨床研究和神經(jīng)科學(xué)啟發(fā)的研究中得到了較大規(guī)模的運(yùn)用(Enriquez-Geppert,Smit,Pimenta,& Arns,2019)。它可以作為一種治療工具使偏離的大腦活動正?；⒆鳛橐环N輔助療法用于治療認(rèn)知障礙和心理疾病(Markiewcz,2017),也可以作為一種提高健康參與者的認(rèn)知能力的訓(xùn)練(Gruzelier,2014;Mirifar,Beckmann,& Ehrlenspiel,2017;Son,Does,Band,& Putman,2020),還可以作為一種研究神經(jīng)振蕩在認(rèn)知和行為中的因果作用的實(shí)驗(yàn)方法(Bagherzadeh,Baldauf,Pantazis,& Desimone,2020;Clarke,Barry,Karamacoska,& Johnstone,2019;Deiber et al.,2020)。

1.1 EEG-NF的基本步驟

腦電神經(jīng)反饋?zhàn)裱韵碌幕静襟E(Enriquez-Geppert et al.,2019):(1)測量參與者的大腦電生理活動。(2)進(jìn)行預(yù)處理。(3)根據(jù)預(yù)先選擇的大腦參數(shù)(特定的頻帶或腦電位)進(jìn)行計(jì)算。(4)轉(zhuǎn)換成信號,實(shí)時(shí)反饋給用戶。(5)大腦活動的某些特征可以被參與者感知。

通過這種反饋,參與者可以學(xué)會自我調(diào)節(jié)自己的大腦活動,從而直接改變認(rèn)知和行為的潛在神經(jīng)機(jī)制。

1.1.1 腦電信號的獲取

測量大腦電生理活動依靠的是測量頭皮電活動的電極。最新的帶有干電極的腦電圖記錄系統(tǒng)是便攜式的(Puce &Hamalainen,2017),具有藍(lán)牙/Wi-Fi功能(Gargiulo et al.,2010),可由智能手機(jī)控制(Stopczynski,Stahlhut,Larsen,Petersen,& Hansen,2013),受試者甚至可以在實(shí)驗(yàn)室外散步(Debener,Minow,Emkes,Gandras,& de Vos,2012)。

1.1.2 腦電信號的處理

這一項(xiàng)包括了對腦電信號的預(yù)處理和計(jì)算預(yù)先設(shè)定的大腦參數(shù)兩步。預(yù)處理是對腦電信號的常規(guī)處理,一般依靠相關(guān)軟件。常用的處理軟件有:MATLAB、EDFbrowser、EDFlib和MNE等。MATLAB是學(xué)術(shù)界應(yīng)用最為廣泛的一款軟件,提供了信號處理和統(tǒng)計(jì)分析等多個(gè)工具箱,功能強(qiáng)大,幾乎已成為EEG信號處理的標(biāo)配。

計(jì)算預(yù)先設(shè)定的大腦參數(shù)即分析選定的腦電特征。常選用的腦電特征是頻率(腦電圖頻帶的功率比)、連接性特征(兩個(gè)或多個(gè)大腦區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)程度和腦波在時(shí)間上的相位、振幅和頻率的相似性)(Heinrich,Gevensleben,Strehl,& Psychiatry,2007)和慢皮層電位(調(diào)節(jié)特定的事件相關(guān)電位,反映了局部皮層的喚醒和注意力水平)。

1.1.3 神經(jīng)反饋的實(shí)施

將以上步驟獲取的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為刺激再呈現(xiàn)給受試者的過程就是神經(jīng)反饋中的反饋。反饋的形式是多種多樣的,最常見的反饋是改變?nèi)蝿?wù)的難度(Debettencourt,Cohen,Lee,Norman,& Turk-Browne,2015)、獲得某種獎勵(Gruzelier,Foks,Steffert,Chen,& Ros,2014)和引入某種提示。這種提示可以是視覺(Ordikhani-Seyedlar,Lebedev,Sorensen,& Puthusserypady,2016)、聽覺(Gadea,Alio,Garijo,Espert,& Salvador,2016)或是觸覺(Fleury,Lioi,Barillot,& Lecuyer,2020)的,也可以是多種感覺組合的。

1.1.4 參與者對大腦活動進(jìn)行自我調(diào)節(jié)

學(xué)會如何對自己的大腦活動進(jìn)行自我調(diào)節(jié)是一項(xiàng)需要參與者自身努力的工作,參與者的動機(jī)很大程度上會影響訓(xùn)練的效果。過低的動機(jī)會使參與者難以跨過訓(xùn)練中的障礙(Hofmann,Schmeichel,& Baddeley,2012),無聊的任務(wù)會使參與者失去繼續(xù)訓(xùn)練的興趣(Ute,2014);而過高的動機(jī)可能會導(dǎo)致認(rèn)知超載而對訓(xùn)練產(chǎn)生負(fù)面影響(Matthias,Erika,Manuel,Christa,& Guilherme,2013)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的腦電神經(jīng)反饋方案

1.2.1 SCP訓(xùn)練

SCP(slow cortical potential)即皮層慢電位。SCP神經(jīng)反饋是建立在皮層激活和抑制的自我調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上的,而這種激活和抑制分別與特定的事件相關(guān)電位即皮層慢電位偏移的電負(fù)性和電正性有關(guān)(Enriquez-Geppert et al.,2019)。這種訓(xùn)練的目的是提高SCP的自我調(diào)節(jié)能力,從而在一定程度上提高其調(diào)節(jié)皮層興奮性的能力(Omejc,Rojc,Battaglini,& Marusic,2019)。

1.2.2 SMR訓(xùn)練

SMR(sensori-motor rhythm)即感覺運(yùn)動節(jié)律。SMR節(jié)律記錄在感覺運(yùn)動皮層上,受丘腦腹側(cè)基底控制,在運(yùn)動安靜狀態(tài)下增強(qiáng),因此增強(qiáng)SMR節(jié)律可以減少不安和運(yùn)動沖動,促進(jìn)注意力放松和持續(xù)集中(Sterman &Self-regulation,1996)。臨床上已經(jīng)證明SMR訓(xùn)練可以改善注意力有關(guān)的警覺狀態(tài)(Micoulaud-Franchi,Bat-Pitault,Cermolacce,& Vion-Dury,2011)。

1.2.3 TBR訓(xùn)練

TBR(theta/beta rhythm)即θ/β節(jié)律。θ/β比值是認(rèn)知加工能力的一個(gè)標(biāo)志,與P300潛伏期有關(guān),而與振幅無關(guān)(Clarke et al.,2019)。而P300被發(fā)現(xiàn)與許多認(rèn)知過程有關(guān),包括決策、信號概率、注意力、辨別力、不確定性解決、刺激相關(guān)性和信息傳遞(Dinteren,Arns,Jongsma,& Kessels,2014)。Clarke等人在2019年的一項(xiàng)研究支持了θ和β的比值是認(rèn)知加工能力的一個(gè)標(biāo)志的假設(shè)(Clarke et al.,2019)。

2 EEG-NF的實(shí)際應(yīng)用

2.1 EEG-NF在ADHD治療中的應(yīng)用

早在上世紀(jì)70年代,就出現(xiàn)了第一個(gè)使用EEG-NF治療ADHD的陽性試驗(yàn)(Lubar &Shouse,1976),在本世紀(jì),設(shè)計(jì)良好的隨機(jī)對照試驗(yàn)大量開展(Moriyama et al.,2012)?，F(xiàn)如今,根據(jù)APA制定的證據(jù)評級指南,“標(biāo)準(zhǔn)”神經(jīng)反饋協(xié)議被認(rèn)為是治療ADHD的“有效和特異的V級水平”,被認(rèn)為是治療ADHD的一種可行方案(Enriquez-Geppert et al.,2019)。

盡管長期以來,對于EEG-NF對ADHD的療效的質(zhì)疑層出不窮,有的質(zhì)疑EEG-NF的訓(xùn)練效果來自安慰劑效應(yīng)(Thibault &Raz,2017),有的發(fā)現(xiàn)此方法效果不如藥物治療(Geladé et al.,2017),還有的發(fā)現(xiàn)在長期隨訪中腦電頻譜的改變沒有特異性(Janssen et al.,2020),但這些質(zhì)疑的提出都是為了更好的改進(jìn)這種方法,而不是否定這種方法。

EEG-NF已經(jīng)通過了大量的臨床實(shí)踐,2019年的一項(xiàng)meta分析顯示,現(xiàn)有的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方案,即TBR訓(xùn)練,SMR訓(xùn)練和SCP訓(xùn)練,被證明是有效和具體的(Enriquez-Geppert et al.,2019)。而且不斷有新的研究對這種方法進(jìn)行效果的證實(shí),無論是在臨床效果上還是在神經(jīng)機(jī)制上。2022年的一項(xiàng)meta分析顯示,與單獨(dú)藥物治療ADHD患者相比,使用腦電圖-藥物聯(lián)合治療在改善患者的全身癥狀和注意力不集中癥狀上有著明顯的益處(Lin et al.,2022)。2021年的一項(xiàng)臨床實(shí)驗(yàn)也顯示,在神經(jīng)反饋訓(xùn)練后,ADHD患者的神經(jīng)有效連接性(effective connectivity)有顯著改善(Wang et al.,2021)。

對比ADHD治療的其他方法,EEG-NF的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。首先,它不像藥物治療那樣會帶來難以避免的不良反應(yīng)(Khajehpiri et al.,2014),不像正念冥想訓(xùn)練那樣療效難以確定(Evans et al.,2018),也不像經(jīng)顱電刺激那樣有潛在的危險(xiǎn)性(Wurzman,Hamilton,Pascual-Leone,& Fox,2016)。而且,它可以作為上述幾種方法的輔助治療手段起到很好的效果。

2.2 EEG-NF在其他方面的應(yīng)用

腦電神經(jīng)反饋廣泛用于神經(jīng)、軀體和精神疾病的治療,包括抑郁癥、厭食癥、閱讀障礙、書寫障礙、精神分裂癥、藥物濫用、PTSD和老年癡呆癥等疾病的治療(Markiewcz,2017)。EEG-NF的使用和研究已進(jìn)一步擴(kuò)展到健康人群(Viviani &Vallesi,2021),并已被用于改善運(yùn)動員的表現(xiàn)訓(xùn)練(Mirifar et al.,2017),輔助外科手術(shù)(Kratzke et al.,2021)等方面。

3 EEG-NF的前景與未來發(fā)展

作為一種重要的認(rèn)知訓(xùn)練和精神疾病治療方法,EEG-NF當(dāng)前仍是研究的熱點(diǎn)問題。一方面,研究者希望通過改進(jìn)EEG-NF的方案來將其應(yīng)用在更多的領(lǐng)域,取得更有說服力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;另一方面,由于fMRI等技術(shù)以及神經(jīng)生物學(xué)和腦科學(xué)的進(jìn)步,將EEG-NF與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用以及進(jìn)一步探明EEG-NF的相關(guān)機(jī)制的研究也有了進(jìn)一步的突破。

3.1 EEG-NF方案的改進(jìn)

對EEG-NF的方案改進(jìn)可以歸為兩個(gè)方向。一是將已有的EEG-NF方案進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化,二是在EEG-NF方案的細(xì)節(jié)上做出靈活的改進(jìn),因?yàn)镋EG-NF過程中的一些細(xì)節(jié)如個(gè)人動機(jī)、反饋方式和療程設(shè)置等對EEG-NF的效果也有著較大的影響。

比如,2020年的一項(xiàng)研究(Sekhavat,2020)通過一個(gè)多人注意力訓(xùn)練賽車游戲,利用腦電信號來調(diào)整游戲的難度參數(shù),以鼓勵玩家提高和保持注意力水平,通過提升參訓(xùn)者的動機(jī),起到了很好的訓(xùn)練效果。另外,改變反饋的形式也是一種很好的嘗試,傳統(tǒng)的EEG-NF依賴視覺或聽覺進(jìn)行反饋。視聽結(jié)合的(Wang,Wang,& Hou,2020)、依賴觸覺的(Wang,Li,Afzal,Zhang,& Zhang,2019),甚至依賴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應(yīng)用范圍的擴(kuò)展

EEG-NF最經(jīng)典的應(yīng)用人群是ADHD患者,其次是抑郁、焦慮、自閉癥、癲癇、睡眠障礙等精神疾病患者(Mirifar et al.,2017)以及需要康復(fù)治療的腦創(chuàng)傷、腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者(Pichiorri &Mattia,2020)。在這些應(yīng)用人群中,臨床研究和理論研究大量開展,但與此同時(shí),新的應(yīng)用人群的探索也在進(jìn)行中。比較保守的探索把應(yīng)用人群擴(kuò)展到老年人(Bielas &Michalczyk,2021;Jiang,Abiri,& Zhao,2017)和學(xué)習(xí)障礙的學(xué)生(Azizi,Drikvand,& Sepahvandi,2018),這些人本身的認(rèn)知能力就弱于常人,在它們身上進(jìn)行EEG-NF與在ADHD患者身上類似。

對正常人群的EEG-NF應(yīng)用的探索也在進(jìn)行中,盡管過程并不順利。2018年的一篇綜述對在健康人群中開展的EEG-NF進(jìn)行了總結(jié)(Azizi et al.,2018),結(jié)果并不樂觀。近期的研究也沒有得到樂觀的結(jié)果(Son et al.,2020)。但考慮到現(xiàn)有的EEG-NF方案是為了治療ADHD等精神疾病,只能說現(xiàn)有的EEG-NF方案難以起到對健康人的提升效果,而不能從整體上否認(rèn)EEG-NF對健康人的效果。

3.3 相關(guān)機(jī)制的研究

EEG-NF的神經(jīng)機(jī)制十分復(fù)雜,當(dāng)前學(xué)界對其了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。長期以來,對EEG-NF方案有效性評估主要依賴觀察腦電頻譜的改變、認(rèn)知能力的改變以及這兩者間的對應(yīng)關(guān)系,而對EEG-NF誘導(dǎo)的神經(jīng)可塑性的研究主要還停留在理論階段。但隨著腦科學(xué)的進(jìn)步,探索NF的神經(jīng)可塑性效應(yīng)(Batail et al.,2019)的相關(guān)研究越來越多,如ADHD兒童神經(jīng)反饋前后靜息EEG有效連通性差異的研究(Wang et al.,2021)、腦-機(jī)接口一小時(shí)后大腦可塑性的改變(Aggensteiner et al.,2019)等。這些研究的結(jié)果大多是樂觀的,但EEG-NF的神經(jīng)機(jī)制還需要更深入的研究。

另外,神經(jīng)反饋本身的相關(guān)機(jī)制也有待進(jìn)一步探究,如反饋學(xué)習(xí)機(jī)制的綜合模型和自我調(diào)節(jié)的神經(jīng)機(jī)制。雖然對有關(guān)問題的研究已經(jīng)取得了一些成果(Gaume,Vialatte,Mora-Sánchez,Ramdani,& Vialatte,2016;Ordikhani-Seyedlar et al.,2016),但距離形成有實(shí)用價(jià)值的完備體系還有很遠(yuǎn)的距離。另外,一些心理因素如意識在神經(jīng)反饋學(xué)習(xí)中的作用也受到了人們的關(guān)注(Muoz-Moldes &Cleeremans,2020;Nan,Yang,Wan,Zhu,& Hu,2020),它們對神經(jīng)反饋也有很大的影響(Kadosh &Staunton,2019)。

3.4 與其他方法的聯(lián)合應(yīng)用

EEG-NF最具前景的方面就是與其他方法的聯(lián)合應(yīng)用,常見的注意力訓(xùn)練方法如認(rèn)知訓(xùn)練、視頻游戲和正念冥想,都可以與EEG-NF聯(lián)合應(yīng)用。

2015年的一項(xiàng)基于EEG-NF改進(jìn)的對老年人的認(rèn)知訓(xùn)練(Lee et al.,2015),顯示出良好的效果;2019年的一項(xiàng)EEG-NF研究聯(lián)合認(rèn)知訓(xùn)練游戲以嘗試加強(qiáng)健康老年女性和認(rèn)知障礙女性的注意力(Jirayucharoensak,Israsena,Pan-Ngum,Hemrungrojn,& Maes,2019),顯示了EEG-NF與認(rèn)知訓(xùn)練游戲聯(lián)合應(yīng)用可能取得更好的療效。關(guān)于視頻游戲與EEG-NF的聯(lián)合應(yīng)用還在構(gòu)想中,在2020年的一篇論文中(Sagiadinou &Plerou,2020),提出了一個(gè)結(jié)合了神經(jīng)反饋技術(shù)和視頻游戲?qū)嵤╆P(guān)于ADD和ADHD治療的三重框架。2019年的一項(xiàng)針對運(yùn)動員的研究(Crivelli,Fronda,& Balconi,2019),顯示了正念-神經(jīng)反饋聯(lián)合方案在改善運(yùn)動情境下的心理健康和注意力調(diào)節(jié)方面的可行性和潛力。

另一種可行的思路是聯(lián)合應(yīng)用EEG和fMRI,fMRI具有高空間分辨率,克服了EEG-NF無法進(jìn)行空間定位的缺陷(Weiskopf,2012),也為進(jìn)一步探究EEG-NF的神經(jīng)機(jī)制提供了工具(Wang et al.,2021)。

4 現(xiàn)階段EEG-NF應(yīng)用中的重點(diǎn)問題

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面存在的問題為EEG-NF帶來了許多質(zhì)疑,因?yàn)榍靶┠瓯M管產(chǎn)生大量的研究成果,但許多關(guān)于EEG-NF的研究結(jié)果的顯著性和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性欠佳,如受試者數(shù)量少或在雙盲和隨機(jī)對照方面欠缺考慮(Omejc et al.,2019)。不過,近些年EEG-NF實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性有了明顯的改善,出現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)嚴(yán)密的隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)(Aggensteiner et al.,2019;Geladé et al.,2017)。

雙盲是排除安慰劑作用、提高實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性的重要手段,但有時(shí)對雙盲的適當(dāng)放棄更加有利于研究的進(jìn)展。前人的大量研究已經(jīng)表明了EEG-NF確實(shí)有效,放棄雙盲雖然有損實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn),但可以讓研究者們放開手腳,因?yàn)殡p盲本身就會影響神經(jīng)反饋的效果(Logemann,Lansbergen,Van Os,B?cker,& Kenemans,2010)。雙盲意味著就算是腦電反饋治療師也接受不到真實(shí)的受試者的實(shí)時(shí)信號,就無法有效的手動調(diào)整獎勵閾值或只能使用自動獎勵閾值調(diào)整,這會很大程度上影響EEG-NF的效果(Logemann et al.,2010)。EEG-NF的治療效果很大一部分來自于神經(jīng)反饋這一部分,即來自于參與者的反饋學(xué)習(xí)和自我調(diào)節(jié),如果過于注重實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性而忽略EEG-NF作為一種心理治療手段的屬性,就難免止步不前。令人欣慰的是,EEG-NF的研究方向確實(shí)正在從評估該方法有效性的經(jīng)典臨床標(biāo)準(zhǔn)(將標(biāo)準(zhǔn)化雙盲隨機(jī)實(shí)驗(yàn)視為最佳方法)向更適合神經(jīng)心理治療的其他方法轉(zhuǎn)變(Omejc et al.,2019)。

4.2 長期效果問題

EEG-NF在ADHD的治療中能否達(dá)到長期效果一直是一個(gè)懸而未決的問題,這方面相關(guān)的研究很少,一篇發(fā)表在2019年的對ADHD的NF治療長期效果的meta分析僅僅納入了10篇文章(Van Doren et al.,2019)。盡管也有研究對EEG-NF的長期效果評估得到了樂觀的結(jié)論(Aggensteiner et al.,2019)。然而,由于反對論據(jù)的存在(Janssen et al.,2020)和相關(guān)研究的嚴(yán)重匱乏,EEG-NF的長期效果還需要更多研究的證實(shí)。

4.3 方案的實(shí)行問題

盡管已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)的EEG-NF方案,但因?yàn)槿狈υ敿?xì)的指南和國際標(biāo)準(zhǔn),訓(xùn)練中使用的參數(shù),如何調(diào)整獎勵閾值以及療程的具體設(shè)置等大量的內(nèi)容還需要施訓(xùn)者和研究人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和具體情況獨(dú)立選擇(Omejc et al.,2019)。缺乏監(jiān)管和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)還導(dǎo)致了行業(yè)的亂象(Enriquez-Geppert et al.,2019)。

5 總結(jié)與展望

雖然現(xiàn)階段EEG-NF還存在許多問題,但這不影響它在注意力訓(xùn)練領(lǐng)域的巨大潛力。不斷改進(jìn)的EEG-NF技術(shù),未來可能應(yīng)用在醫(yī)生、飛行員和軍人等注意力要求極高的職業(yè)培訓(xùn)中。EEG-NF在神經(jīng)可塑性方面的研究成果,為存在學(xué)習(xí)困難的學(xué)生和存在注意力缺陷的兒童帶來了希望。EEG-NF有望作為一種注意力訓(xùn)練方法在未來得到更廣泛的應(yīng)用和更深入的研究。