神經反饋調節健康個體注意力的研究進展

楊文杰 南文雅* 龔安民 伏云發

1(上海師范大學教育學院心理學系，上海 200234)2(武警工程大學信息工程學院， 西安 710086)3(昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明理工大學腦認知與腦機智能融合創新團隊，昆明 650000)

引言

神經反饋(neurofeedback，NF)是一種基于大腦活動信號的生物反饋，主要基于斯金納的操作性條件反射和巴甫洛夫的經典條件反射原理，通過腦機交互方式實時地將采集的大腦活動信號轉換為聲音、圖像、游戲等形式反饋給受試者，受試者按照相關交互方式的指令選擇性地增強或抑制特定的大腦活動特征，以實現自主調節腦功能的目的[1]。 神經反饋的研究最初是由Sterman 等[2]開展的，他采用操作性條件反射原理訓練貓，每當貓完成一種特定的運動行為時，它就會得到食物獎勵。 結果表明，通過對貓的運動反應進行訓練和獎賞，可以有效的對其12 ～14Hz 范圍內的感覺運動節律(sensorimotor rhythm，SMR)進行調控。

經過50 多年的發展，神經反饋作為一種神經調控和行為干預手段逐漸受到研究者和神經康復治療師的重視，已被廣泛應用于注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)[3-4]、

癲癇[5]、抑郁癥[6]、酒精成癮[7]、創傷后應激障礙[8]等臨床疾病的干預。 此外，神經反饋對健康個體的注意力、工作記憶、執行控制等認知功能[9-12]、運動員的競技水平和醫生的手術表現存在一定的幫助[13-14]。

注意是心理活動對特定事物對象的指向與集中，是心理活動中一項重要組成部分，與記憶相互影響，是個體日常生活中不可替代的重要心理品質。 長期的注意力不集中，會對個體發育成長造成嚴重影響。 因此，提高注意力是醫學界、心理學界、教育學界等諸多領域的熱點研究課題。 目前改善注意力的方法多種多樣，主要有藥物療法、運動療法、神經反饋療法等。 然而，長期大量使用藥物治療會對人體產生諸多副作用，損害人體機能，并且療效較慢，運動治療受諸多客觀因素影響，不易操作[15-16]。 相比而言，神經反饋主要通過實時呈現大腦活動從而使得個體學習自我調節[17]，不僅克服了藥物對身體機能造成的副作用，也克服了運動療法不易操作的特點。 尤其是基于腦電(electroencephalogram，EEG)節律活動的神經反饋，更是具有無損安全、操作簡便、費用低廉等優點[18-19]。 已有研究發現，利用神經反饋對ADHD 患者進行有效訓練，可以改變大腦相關EEG 節律的活動，進而改善注意分散和多動沖動癥狀[3]。 除此之外，神經反饋也可通過調節健康被試的SMR[20-21]、theta[22]、beta[23]和alpha 節律波[24]來提升注意力。

然而，由于實驗范式設計和訓練方案的不同，現有研究結論在文獻之間并不完全一致，特別是關于神經反饋對健康人群注意力調節的研究缺少系統的總結和展望。 文中基于不同的神經反饋訓練特征重點論述訓練特征、訓練位置、注意力測試任務等方面對研究結論產生的影響，以期探討神經反饋訓練的有效性。

文中所指:神經反饋訓練特征是指EEG 中的頻段范圍(單一或多個頻段)；訓練位置為所訓練的電極位置(單一或多個電極)；訓練結果包括EEG 調節結果和行為結果，有成功(1)或失敗(0)兩種情況。 EEG 結果的有效性主要通過比較訓練前后或訓練時的EEG 反饋特征，從而評估EEG 神經反饋訓練在誘導EEG 調節方面的效果；行為表現的變化根據特定類型活動的典型測試或測量來評估。 此外，還考察了研究中是否根據EEG 結果區分學習者和非學習者，以及是否進行追蹤實驗來考察神經反饋的長期作用。

1 神經反饋對注意力的調節作用

1.1 Theta 神經反饋對注意力的調節作用

Theta 波是與海馬體和中扣帶回皮層相關跨腦區的主要活動，與快速眼動睡眠、記憶的鞏固、受損的條件性恐懼記憶、認知控制活動和心理負荷密切相關[10]。 雖然傳統上認為theta 波與睡意有關，但最近有更多的證據表明了theta 波對學習、記憶過程和注意力的作用[25]。 Theta 波不僅促進工作記憶的編碼、存儲和檢索[10]，還會對注意力的集中度產生影響[22]。 對青年人和老年人進行額葉中線位置(即Fz)theta(4～7 Hz)增強的神經反饋，經過12 次訓練后，他們的theta 活動得到顯著增強，同時由注意網絡測試(attention network test， ANT)測量的注意控制網絡效率得到顯著提升，表明額葉中線theta 增強的神經反饋訓練可能與多巴胺能系統有關，從而引起注意控制網絡的改善[22]。

1.2 Alpha 神經反饋對注意力的調節作用

Alpha 節律(8～12 Hz)是大腦活動的優勢節律，主要產生于頂枕葉腦區，隨著視覺處理的變化而變化。 Alpha 同步性的增加與神經興奮性的減少以及gamma 去同步性相關[26]。 Alpha 被認為是一種抑制不相關的感覺和任務信息處理的機制[26]，具有抑制、感知、預測、溝通和穩定的功能[27]，并且與注意[3，24，28]、工作記憶[29]和執行控制[27]密切相關。 其中頂枕葉腦區的alpha 同步性與持續性注意力密切相關[28，30]，當在目標出現前20 s alpha 功率提升時，會導致注意力的分散和目標的遺漏[31]。 在模擬駕駛過程中，大腦走神的時間與聽覺刺激下頂葉alpha功率的增強和P3 波幅的降低有關[32]。 還有研究指出，alpha 波幅的增強會提高皮層抑制能力[33]，通過降低額外刺激的影響來改善ADHD 患者的注意力[34]。

表1 中Berger 和Davelaar[28]、Escolano 等[35]和Pei 等[36]的研究旨在通過alpha 增強訓練來提升注意力。 雖然這3 個研究均通過神經反饋訓練成功增強了alpha 活動，但是只有Berger 和Davelaar[28]發現注意力有顯著提升，可能的原因有以下兩點:(1)控制組設置方式不同，Pei 等[36]和Escolano 等[35]采用虛假神經反饋作為控制組，能夠較好地排除安慰劑效應，而Berger 和Davelaar[28]則僅使用兩種不同的反饋形式互為對照，缺乏虛假反饋控制組，無法排除安慰劑效應，因而不能明確注意力的提升是神經反饋的特異性作用還是非特異性作用所致。 (2)各研究采用的注意力測量任務并不一致，其所偏重的注意成分及相關的EEG 活動亦有不同。 Pei等[36]在分析alpha 增強訓練沒有提升所測量的3 個注意網絡的可能原因時提到，ANT 更可能與theta 和beta 相關，而并非alpha[36]。 上述研究結果表明，實驗設計的較大差異，難以形成統一的結論。 除了上述alpha 增強訓練，Deiber 等[3]對ADHD 實驗組被試和健康控制組被試分別進行了30 min 的alpha 抑制神經反饋訓練，結果發現，兩組被試的alpha 功率都有下降，并且在神經反饋訓練后誤報率、反應時均有所下降，這表明注意的抑制控制和持續性注意得到增強。 相關分析發現ADHD 患者的alpha 功率越低則反應時越短，誤報率越低，但是這種相關性在健康被試中并未發現[3]。

建設在線開放課程的主要目的是為了課程應用。教育部于2018年1月15日推出了首批490門“國家精品在線開放課程”。評選國家精品在線開放課程的硬指標之一就是必須應用兩個周期以上。因此，在建設在線開放課程之前，必須要解決如何開展應用即教學應用模式。[1]

表1 Alpha 神經反饋訓練實驗研究相關信息Tab.1 The study of the alpha neurofeedback training

此外，還有研究指出左右半球alpha 偏側化與視覺空間注意力密切相關[24]。 視覺空間注意(visual spatial attention)是指向空間的視覺注意，也稱作視覺空間注意能力，主要表現為將注意集中到某個位置，同時忽略其它位置的能力，其表征主要是基于空間位置[38]。 空間注意主要基于空間線索化任務(spatial pre-cueing)，通過視覺線索提示，判斷目標刺激的空間位置，若位置與提示的方向一致，則反應時更短，反之，反應時更長。 相關研究發現，視覺空間注意和頂葉區域的alpha 節律偏側化相關[39]，但是alpha 偏側化與注意力之間的相關并不能代表因果。 為了驗證alpha 偏側化與視覺空間注意的因果關系， Okazaki 等[37]和Bagherzadeh等[24]利用單次的腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)神經反饋來調節頂枕葉位置的alpha 偏側化來驗證兩者之間的因果關系。 結果發現，在神經反饋訓練后，alpha 偏側化增強，對側視覺注意力提高，但左側alpha 偏側化要比右側alpha 偏側化更容易操縱[24，37]。 在Okazaki 等[37]的研究中，被試在訓練時被明確指示注意左側或者右側出現的視覺刺激，考慮到被試在神經反饋中可能會對注意力進行訓練，因此無法明確注意力的偏差是由訓練過程中alpha 調節所致[37]。 針對這個問題，Bagherzadeh等[24]在Okazaki 等[37]的基礎上對神經反饋方式和前后測實驗范式進行更改，選擇波斯納線索范式(Posner cueing paradigm) 和自由線索范式(free cueing task)對視覺空間注意力進行測量，在神經反饋訓練中并不明確指示被試左側或者右側出現的視覺刺激，避免了在訓練alpha 的同時對視覺空間注意產生影響。 在方案更改后，實驗仍得出相同結果，這證明了alpha 偏側化神經反饋對空間注意力調節的有效性。 因此可知，增加同側半球alpha 的同步性會導致對側半球視覺區域注意力的減少，而alpha 同步的減少則會提高對側視野的知覺警覺性和注意力[24，37]。

1.3 Beta 神經反饋對注意力的調節作用

Beta 波一般指12 ～30 Hz 的EEG 波，是一種注意力載體。 在注意力任務中，beta 功率的增加與動物和人類的注意力表現呈正相關[40-41]。 如表2 所示，Beta 波的子頻段SMR(12～15 Hz)、beta1(15～18 Hz 或18～22 Hz)和beta2(12～22 Hz)常被作為神經反饋訓練的訓練特征[20-21，23，42-43]。 其中，SMR 和beta1 增強的神經反饋訓練不僅能夠顯著提升其所訓練波段的活動， 還能顯著增強持續性注意[20-21，42-43]。 而Jurewicz 等[23]以beta2 為訓練特征，在經過16 次的神經反饋訓練之后發現beta2 并無顯著變化，說明被試并沒有學會調節所訓練的EEG特征，因而被試的注意力沒有得到顯著的改變。 由于beta2 神經反饋訓練的文獻較少，未來仍需要加強對該方面的研究[23]。

表2 Beta 神經反饋訓練實驗研究相關信息Tab.2 The study of the beta neurofeedback training

需要注意的是，在神經反饋訓練中，除了選擇有效的訓練特征，還應該制定嚴謹的實驗設計。 例如，雖然Egner 等[21]發現beta1 的增強與持續性操作任務(continuous performance task，CPT)中的誤報率下降成反比、與P300 波幅上升呈正比，但該研究缺乏控制組。 后續研究[42]增加了行為訓練組作為控制組，同樣發現beta1 的增強會導致反應時的降低以及P300 波幅的上升。 控制組的設置排除了注意力測試任務的練習效應與神經反饋可能存在的安慰劑效應，使得實驗結果更加準確。

1.4 比率類神經反饋對注意力的調節作用

除了對某個頻段進行單獨訓練外，還可以同時進行兩個頻段的訓練，其中常用的有beta/theta 和SMR/theta 功率比值增強的訓練。 Beta/theta 增強訓練對減少ADHD 注意力不集中、多動、沖動等臨床癥狀和提高認知能力均有積極作用[21，44-45]。 雖然與ADHD 相比，beta/theta 訓練在調節健康被試注意力方面的研究較少，但一些結果已經發表(見表3)。Studer 等[11]對beta/theta 進行訓練(該研究所使用的beta 頻段為13 ～20 Hz)，發現beta/theta 以及行為數據在組水平上沒有顯著變化。 但是，在區分學習者和非學習者之后，成功學習者在訓練后beta 功率上升，theta 功率下降，P3 波幅顯著增加，ANT 范式中反應時降低，注意力提升。 未來的研究需要考慮EEG 學習效果的個體差異性及其對注意力調節的影響。

雖然已有文獻證明SMR 神經反饋對注意力的調節作用，但是神經反饋訓練在增強SMR 功率的同時也導致了theta 波幅的改變[48]。 在臨床研究中，研究者也常將SMR 和theta 之間的比率作為一種神經反饋調節的方式，目的在于增強SMR 的同時降低theta。 研究也發現SMR/theta 神經反饋訓練不僅對ADHD 的注意缺陷有干預作用，對健康成人的持續性注意力和選擇性注意力也均有改善作用[46，48]。表3 顯示，Gadea 等[46]在單次神經反饋訓練后發現實驗組SMR 得到增強，theta 得到抑制；在神經反饋前后利用雙耳分聽實驗(Dichotic listening test，DLT)進行注意力測試，結果顯示實驗組的左側耳擊中率提高，與神經反饋訓練組的SMR 波幅的提高呈正相關。 另有Gon?alves 等[47]研究發現，在經過單次的神經反饋訓練后SMR 和theta 均得到顯著提升(即與訓練目的不一致)，ANT 警覺、定向以及執行控制得分并無顯著變化。 對EEG 變化和行為變化的相關分析發現，theta 波幅的增加與注意力任務中利用方向線索的困難程度有關，即theta 功率的增加會抑制注意力加工。

表3 比率神經反饋訓練實驗研究相關信息Tab.3 The study of the ratio neurofeedback training

對以上兩個研究的結果差異分析，認為有3 個可能的原因:其一，SMR/theta 訓練引起的EEG 結果不同，Gadea 等[46]發現在增加SMR 的同時，theta 得到抑制，而Gon?alves 等[47]發現theta 波幅有所上升；其二，訓練位置不同，與Cz 位置相比，C3 或者C4 位置在研究注意力的偏側化效應中更為合適[47]；其三，注意力測量方式不同，與ANT 相比，雙耳分聽實驗側重于測量注意沖突。 因此，未來需要更多的實驗研究論證SMR/theta 訓練對健康被試注意力的調節作用。

2 影響神經反饋調節注意力訓練效果評估的若干因素

上述研究主要關注theta、alpha、beta 以及兩頻段功率比這幾個訓練特征，以此來分析神經反饋調節健康個體注意力的研究方案和結果。 其中，theta增強訓練可以增強注意控制網絡[22]；alpha 偏側化訓練可以提升對側視覺空間注意力[24，37]；alpha 抑制訓練可以增強注意抑制控制和持續性注意[3]；SMR 或beta1 可以增強持續性注意[20-21，42-43]。 但本文發現，alpha 增強訓練以及兩頻段功率比的訓練對注意力的作用并無一致結論，因此認為除了訓練特征的影響外，神經反饋訓練的效果也可能會受其他不同因素的影響。 下面將從注意力測量范式、學習者和非學習者的劃分、實驗設計類型和是否進行追蹤實驗這四個方面討論分析。

2.1 注意力測量范式的影響

2.2 學習者和非學習者劃分的影響

神經反饋訓練需要被試主動的對大腦進行自我調節，EEG 活動調節的有效性與被試的認知策略、動機、情緒等因素有關[50]。 大部分被試可以有效的調節EEG 活動(即這類被試稱為學習者)，但是有些被試并不能很好的學習操控所反饋的EEG活動(即這類被試稱為非學習者)。 這種非學習者現象在大量神經反饋研究中都有報道，約30%～50%的個體對神經反饋無法進行有效的學習，非學習者通常不能表現出目標行為的改善[51]。 學習者和非學習者的區分更有利于探究神經反饋訓練的特異性和有效性，從而確定神經反饋作用的個體差異性并幫助制定個性化的神經反饋方案。

2.3 實驗設計類型的影響

在無控制組設計的神經反饋效果評估中，實際上包含了被試復雜的心理因素(動機、暗示等)、神經反饋訓練中的注意力任務的練習效應、主試的引導作用等多種混合變量因素作用。 因此，為了探討神經反饋的真實作用，需要設置有效的控制組。 控制組通常采用行為訓練或虛假神經反饋等不同方式。 其中，虛假神經反饋訓練與真實神經反饋訓練更加相似，可以排除安慰劑效應，實驗數據更加能反應神經反饋訓練的特異性作用[52]。 另外，Ros等[53]提出在實驗設計中需要采用雙盲對照實驗設計，從而控制諸多的混合變量，有利于評估神經反饋訓練的特異性和認識其作用機制。

2.4 追蹤實驗設置的影響

大多數學者關注神經反饋訓練的即時效果，很少探索神經反饋訓練效果的時效。 追蹤實驗可以檢驗神經反饋訓練效果的持續性， 例如Diaz Hernandez 等[54]在神經反饋訓練6 個月后進行追蹤實驗，Fielenbach 等[55]在神經反饋訓練3 周后進行追蹤實驗，通過測量被試的行為數據來研究神經反饋訓練的時效性。 然而，上述用于健康個體注意力增強的所有神經反饋研究都沒有進行追蹤實驗，因此無法驗證神經反饋訓練后被試注意力的提高是否具有持續性。 未來的研究可以在確定神經反饋訓練即時有效性的基礎上，通過追蹤實驗的設置來進一步研究神經反饋訓練的時效作用。

3 未來發展方向

以上工作主要采用基于EEG 的神經反饋對健康個體注意力的調節進行研究，雖然EEG 的時間分辨率較高(毫秒級)，但是其空間分辨率較低(厘米級)。 未來的研究可以嘗試基于以下神經反饋方法對健康個體注意力的調節作用和機制進行研究。

3.1 基于fNIRS 的神經反饋

與EEG 相比，功能近紅外光譜(functional near infrared spectroscopy，fNIRS)是一種主動測量方法，由發射探頭把近紅外光射入腦組織并由接收探頭收集，通過光強度的變化計算氧合和脫氧血紅蛋白濃度的變化，并從這種代謝活動間接推斷功能神經活動，是神經科學和腦機交互中一種相對新的方法[56]。 fNIRS 的一個優勢是其能夠容忍被試頭部一定程度的移動，具有良好的生態效應，較適合用于動態監測腦組織的氧合和脫氧血紅蛋白濃度變化信息。 其次，fNIRS 空間定位性(不同于空間分辨率的一個概念)比EEG 電極要好，這是由于NIRS測量的腦區位于發射探頭和接收探頭之間的中間位置下方的腦區[57]。 為此，可以利用這些優勢，嘗試基于fNIRS 的神經反饋對健康個體注意力的調節作用和機制進行研究。

3.2 基于fMRI 的神經反饋

與EEG 和fNIRS 不同，功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)具有高的空間分辨率(毫米級)，可以提供關于大腦代謝的信息，該信息由血氧水平依賴(blood oxygen leveldependent，BOLD)效應反映[58]。 fMRI 能夠定位特定感覺、知覺或認知任務下大腦功能區的激活分布，目前已被廣泛應用于臨床和腦科學研究中[59-60]。 采用fMRI 方法可以借助其空間分辨率優勢，不僅能觀察到皮層的激活程度，也可以探測皮層下結構的激活[61]。 為此，可以利用這些優勢，應用基于fMRI 的神經反饋對健康個體注意力的調節作用和機制進行研究[60]。

3.3 基于多模態融合的神經反饋

EEG 成像方法的缺點是空間分辨較低，fMRI 成像方法的缺點是時間分辨率較低(秒級)，而fNIRS的缺點之一是其測量的皮層深度有限(2 ～3 cm)，fNIRS 空間分辨率(厘米級)僅僅比EEG 略好，而時間分辨率(秒級)與fMRI 的相當。 每一種技術各有優缺點，它們的融合不僅僅是時間分辨率和空間分辨率上的優勢互補，也是不同信號內容的互補(EEG是直接反映神經振蕩活動的放電信息，而fMRI 和NIRS 是間接反映大腦活動的腦組織代謝信息)。 目前及將來，多種無創腦成像技術呈現融合發展的趨勢[57，62-63]。

同步EEG-fMRI 采集腦信息已是一種相對成熟的技術[57，62]，可以結合EEG 的高時間分辨率和fMRI 的高空間分辨率優勢，同時把EEG 反映的放電信息和fMRI 反映的腦組織代謝信息相融合。 已有研究顯示，EEG-fMRI 雙模態融合的神經反饋是可行的，能夠實現大腦血流動力學和電生理學信號的同時調節，并對有關的目標行為產生作用[64-66]。 同步EEG-fNIRS 采集腦信息也是一種相對成熟的技術[57，63]，可以把時間分辨率高、直接反映神經振蕩活動的EEG 信息，與生態效應、空間定位較好的腦組織氧合與脫氧血紅蛋白濃度變化的NIRS 信息相融合。 為此，可以利用多模態融合的神經反饋優勢，嘗試其對健康個體注意力的調節作用和機制進行研究。

4 結語

隨著神經反饋技術的發展和應用，其對健康個體注意力調節作用的研究也逐漸成為一個熱點。通過神經反饋對被試EEG 進行調節，可以在理解注意力神經機制的基礎上，對健康群體進行注意力增強，有助于使其更好的完成工作、學業乃至提升生活質量。

通過評述面向健康人群注意力增強的神經反饋研究，發現利用神經反饋對一些特定的腦波頻段進行調節(如SMR、beta1、alpha 和SMR/theta)，可以從不同方面改善注意力。

由于實驗設計類型、訓練方式、注意力的測量范式以及神經反饋訓練的次數、訓練位置和反饋方式的不同，影響實驗結果的統一性，因此提示未來研究需更加注意標準化，嚴格遵循Ros 所提出的神經反饋的實驗設計標準[53]，設置有效的對照組，選擇有效的EEG 和行為數據分析模式，確定合適的訓練次數以及訓練位置，適度擴大實驗樣本量，更加關注探討神經反饋對注意力不同方面的影響。 此外，推薦嘗試其他的神經反饋技術模式(如基于fNIRS/fMRI/MEG/多模態融合的神經反饋)，多方位探討這些技術模式對健康個體注意力的調節作用和機制。