腦電神經反饋:一種前景廣闊的注意力訓練方法

周茂洋,高子奇,史 康,劉建軍,梁 偉,毋 琳,張俊鵬,武圣君

(1.軍事醫學科學院,北京 100850;2.空軍93671部隊,南陽 474350;3.空軍軍醫大學醫學心理學系,西安 710032;4.空軍軍醫大學教務處,西安 710032;5.空軍第986醫院門診部,西安 710032)

1 EEG-NF的簡介

腦電神經反饋electroencephalogram-neurofeedback,EEG-NF即一種基于腦電圖的無創大腦刺激形式通過腦機接口把從個體大腦中提取的電生理活動特征以實時反饋刺激的形式呈現給個體,使個體在反饋刺激的強化作用下學習自我調節大腦活動。

腦電神經反饋是歷史最為悠久應用最為廣泛的神經反饋方式,它早在上世紀60年代就被Wyrwicka和Sterman應用在了對貓感覺運動皮層的神經反饋中(Wyrwicka,Sterman,& Behavior,1968)。發展到今天,它已經在臨床研究和神經科學啟發的研究中得到了較大規模的運用(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知能力的訓練(Gruzelier,2014;Mirifar,Beckmann,& Ehrlenspiel,2017;Son,Does,Band,& Putman,2020),還可以作為一種研究神經振蕩在認知和行為中的因果作用的實驗方法(Bagherzadeh,Baldauf,Pantazis,& Desimone,2020;Clarke,Barry,Karamacoska,& Johnstone,2019;Deiber et al.,2020)。

1.1 EEG-NF的基本步驟

腦電神經反饋遵循以下的基本步驟(Enriquez-Geppert et al.,2019):(1)測量參與者的大腦電生理活動。(2)進行預處理。(3)根據預先選擇的大腦參數(特定的頻帶或腦電位)進行計算。(4)轉換成信號,實時反饋給用戶。(5)大腦活動的某些特征可以被參與者感知。

通過這種反饋,參與者可以學會自我調節自己的大腦活動,從而直接改變認知和行為的潛在神經機制。

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是便攜式的(Puce &Hamalainen,2017),具有藍牙/Wi-Fi功能(Gargiulo et al.,2010),可由智能手機控制(Stopczynski,Stahlhut,Larsen,Petersen,& Hansen,2013),受試者甚至可以在實驗室外散步(Debener,Minow,Emkes,Gandras,& de Vos,2012)。

1.1.2 腦電信號的處理

這一項包括了對腦電信號的預處理和計算預先設定的大腦參數兩步。預處理是對腦電信號的常規處理,一般依靠相關軟件。常用的處理軟件有:MATLAB、EDFbrowser、EDFlib和MNE等。MATLAB是學術界應用最為廣泛的一款軟件,提供了信號處理和統計分析等多個工具箱,功能強大,幾乎已成為EEG信號處理的標配。

計算預先設定的大腦參數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(兩個或多個大腦區域之間的關聯程度和腦波在時間上的相位、振幅和頻率的相似性)(Heinrich,Gevensleben,Strehl,& Psychiatry,2007)和慢皮層電位(調節特定的事件相關電位,反映了局部皮層的喚醒和注意力水平)。

1.1.3 神經反饋的實施

將以上步驟獲取的數字信息轉化為刺激再呈現給受試者的過程就是神經反饋中的反饋。反饋的形式是多種多樣的,最常見的反饋是改變任務的難度(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行自我調節

學會如何對自己的大腦活動進行自我調節是一項需要參與者自身努力的工作,參與者的動機很大程度上會影響訓練的效果。過低的動機會使參與者難以跨過訓練中的障礙(Hofmann,Schmeichel,& Baddeley,2012),無聊的任務會使參與者失去繼續訓練的興趣(Ute,2014);而過高的動機可能會導致認知超載而對訓練產生負面影響(Matthias,Erika,Manuel,Christa,& Guilherme,2013)。

1.2 標準的腦電神經反饋方案

1.2.1 SCP訓練

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

1.2.2 SMR訓練

SMR(sensori-motor rhythm)即感覺運動節律。SMR節律記錄在感覺運動皮層上,受丘腦腹側基底控制,在運動安靜狀態下增強,因此增強SMR節律可以減少不安和運動沖動,促進注意力放松和持續集中(Sterman &Self-regulation,1996)。臨床上已經證明SMR訓練可以改善注意力有關的警覺狀態(Micoulaud-Franchi,Bat-Pitault,Cermolacce,& Vion-Dury,2011)。

1.2.3 TBR訓練

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

2 EEG-NF的實際應用

2.1 EEG-NF在ADHD治療中的應用

早在上世紀70年代,就出現了第一個使用EEG-NF治療ADHD的陽性試驗(Lubar &Shouse,1976),在本世紀,設計良好的隨機對照試驗大量開展(Moriyama et al.,2012)?，F如今,根據APA制定的證據評級指南,“標準”神經反饋協議被認為是治療ADHD的“有效和特異的V級水平”,被認為是治療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的療效的質疑層出不窮,有的質疑EEG-NF的訓練效果來自安慰劑效應(Thibault &Raz,2017),有的發現此方法效果不如藥物治療(Geladé et al.,2017),還有的發現在長期隨訪中腦電頻譜的改變沒有特異性(Janssen et al.,2020),但這些質疑的提出都是為了更好的改進這種方法,而不是否定這種方法。

EEG-NF已經通過了大量的臨床實踐,2019年的一項meta分析顯示,現有的三個標準的神經反饋訓練方案,即TBR訓練,SMR訓練和SCP訓練,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行效果的證實,無論是在臨床效果上還是在神經機制上。2022年的一項meta分析顯示,與單獨藥物治療ADHD患者相比,使用腦電圖-藥物聯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年的一項臨床實驗也顯示,在神經反饋訓練后,ADHD患者的神經有效連接性(effective connectivity)有顯著改善(Wang et al.,2021)。

對比ADHD治療的其他方法,EEG-NF的優點是明顯的。首先,它不像藥物治療那樣會帶來難以避免的不良反應(Khajehpiri et al.,2014),不像正念冥想訓練那樣療效難以確定(Evans et al.,2018),也不像經顱電刺激那樣有潛在的危險性(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在其他方面的應用

腦電神經反饋廣泛用于神經、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的使用和研究已進一步擴展到健康人群(Viviani &Vallesi,2021),并已被用于改善運動員的表現訓練(Mirifar et al.,2017),輔助外科手術(Kratzke et al.,2021)等方面。

3 EEG-NF的前景與未來發展

作為一種重要的認知訓練和精神疾病治療方法,EEG-NF當前仍是研究的熱點問題。一方面,研究者希望通過改進EEG-NF的方案來將其應用在更多的領域,取得更有說服力的實驗結果;另一方面,由于fMRI等技術以及神經生物學和腦科學的進步,將EEG-NF與其他技術聯合應用以及進一步探明EEG-NF的相關機制的研究也有了進一步的突破。

3.1 EEG-NF方案的改進

對EEG-NF的方案改進可以歸為兩個方向。一是將已有的EEG-NF方案進一步標準化,二是在EEG-NF方案的細節上做出靈活的改進,因為EEG-NF過程中的一些細節如個人動機、反饋方式和療程設置等對EEG-NF的效果也有著較大的影響。

比如,2020年的一項研究(Sekhavat,2020)通過一個多人注意力訓練賽車游戲,利用腦電信號來調整游戲的難度參數,以鼓勵玩家提高和保持注意力水平,通過提升參訓者的動機,起到了很好的訓練效果。另外,改變反饋的形式也是一種很好的嘗試,傳統的EEG-NF依賴視覺或聽覺進行反饋。視聽結合的(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應用范圍的擴展

EEG-NF最經典的應用人群是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)以及需要康復治療的腦創傷、腦卒中等神經系統疾病患者(Pichiorri &Mattia,2020)。在這些應用人群中,臨床研究和理論研究大量開展,但與此同時,新的應用人群的探索也在進行中。比較保守的探索把應用人群擴展到老年人(Bielas &Michalczyk,2021;Jiang,Abiri,& Zhao,2017)和學習障礙的學生(Azizi,Drikvand,& Sepahvandi,2018),這些人本身的認知能力就弱于常人,在它們身上進行EEG-NF與在ADHD患者身上類似。

對正常人群的EEG-NF應用的探索也在進行中,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進行了總結(Azizi et al.,2018),結果并不樂觀。近期的研究也沒有得到樂觀的結果(Son et al.,2020)。但考慮到現有的EEG-NF方案是為了治療ADHD等精神疾病,只能說現有的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EEG-NF對健康人的效果。

3.3 相關機制的研究

EEG-NF的神經機制十分復雜,當前學界對其了解還遠遠不夠。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、認知能力的改變以及這兩者間的對應關系,而對EEG-NF誘導的神經可塑性的研究主要還停留在理論階段。但隨著腦科學的進步,探索NF的神經可塑性效應(Batail et al.,2019)的相關研究越來越多,如ADHD兒童神經反饋前后靜息EEG有效連通性差異的研究(Wang et al.,2021)、腦-機接口一小時后大腦可塑性的改變(Aggensteiner et al.,2019)等。這些研究的結果大多是樂觀的,但EEG-NF的神經機制還需要更深入的研究。

另外,神經反饋本身的相關機制也有待進一步探究,如反饋學習機制的綜合模型和自我調節的神經機制。雖然對有關問題的研究已經取得了一些成果(Gaume,Vialatte,Mora-Sánchez,Ramdani,& Vialatte,2016;Ordikhani-Seyedlar et al.,2016),但距離形成有實用價值的完備體系還有很遠的距離。另外,一些心理因素如意識在神經反饋學習中的作用也受到了人們的關注(Muoz-Moldes &Cleeremans,2020;Nan,Yang,Wan,Zhu,& Hu,2020),它們對神經反饋也有很大的影響(Kadosh &Staunton,2019)。

3.4 與其他方法的聯合應用

EEG-NF最具前景的方面就是與其他方法的聯合應用,常見的注意力訓練方法如認知訓練、視頻游戲和正念冥想,都可以與EEG-NF聯合應用。

2015年的一項基于EEG-NF改進的對老年人的認知訓練(Lee et al.,2015),顯示出良好的效果;2019年的一項EEG-NF研究聯合認知訓練游戲以嘗試加強健康老年女性和認知障礙女性的注意力(Jirayucharoensak,Israsena,Pan-Ngum,Hemrungrojn,& Maes,2019),顯示了EEG-NF與認知訓練游戲聯合應用可能取得更好的療效。關于視頻游戲與EEG-NF的聯合應用還在構想中,在2020年的一篇論文中(Sagiadinou &Plerou,2020),提出了一個結合了神經反饋技術和視頻游戲實施關于ADD和ADHD治療的三重框架。2019年的一項針對運動員的研究(Crivelli,Fronda,& Balconi,2019),顯示了正念-神經反饋聯合方案在改善運動情境下的心理健康和注意力調節方面的可行性和潛力。

另一種可行的思路是聯合應用EEG和fMRI,fMRI具有高空間分辨率,克服了EEG-NF無法進行空間定位的缺陷(Weiskopf,2012),也為進一步探究EEG-NF的神經機制提供了工具(Wang et al.,2021)。

4 現階段EEG-NF應用中的重點問題

4.1 實驗設計問題

實驗設計方面存在的問題為EEG-NF帶來了許多質疑,因為前些年盡管產生大量的研究成果,但許多關于EEG-NF的研究結果的顯著性和實驗設計的嚴謹性欠佳,如受試者數量少或在雙盲和隨機對照方面欠缺考慮(Omejc et al.,2019)。不過,近些年EEG-NF實驗設計的科學性有了明顯的改善,出現了一些設計嚴密的隨機對照實驗(Aggensteiner et al.,2019;Geladé et al.,2017)。

雙盲是排除安慰劑作用、提高實驗嚴謹性的重要手段,但有時對雙盲的適當放棄更加有利于研究的進展。前人的大量研究已經表明了EEG-NF確實有效,放棄雙盲雖然有損實驗嚴謹,但可以讓研究者們放開手腳,因為雙盲本身就會影響神經反饋的效果(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的受試者的實時信號,就無法有效的手動調整獎勵閾值或只能使用自動獎勵閾值調整,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反饋這一部分,即來自于參與者的反饋學習和自我調節,如果過于注重實驗的嚴謹性而忽略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的研究方向確實正在從評估該方法有效性的經典臨床標準(將標準化雙盲隨機實驗視為最佳方法)向更適合神經心理治療的其他方法轉變(Omejc et al.,2019)。

4.2 長期效果問題

EEG-NF在ADHD的治療中能否達到長期效果一直是一個懸而未決的問題,這方面相關的研究很少,一篇發表在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論(Aggensteiner et al.,2019)。然而,由于反對論據的存在(Janssen et al.,2020)和相關研究的嚴重匱乏,EEG-NF的長期效果還需要更多研究的證實。

4.3 方案的實行問題

盡管已經有了標準的EEG-NF方案,但因為缺乏詳細的指南和國際標準,訓練中使用的參數,如何調整獎勵閾值以及療程的具體設置等大量的內容還需要施訓者和研究人員根據自身經驗和具體情況獨立選擇(Omejc et al.,2019)。缺乏監管和公認的標準還導致了行業的亂象(Enriquez-Geppert et al.,2019)。

5 總結與展望

雖然現階段EEG-NF還存在許多問題,但這不影響它在注意力訓練領域的巨大潛力。不斷改進的EEG-NF技術,未來可能應用在醫生、飛行員和軍人等注意力要求極高的職業培訓中。EEG-NF在神經可塑性方面的研究成果,為存在學習困難的學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練方法在未來得到更廣泛的應用和更深入的研究。