腦機接口助力學生提高注意力水平

賈鎰誠

摘 要：在“人工智能”、“大數據”等概念的提出與飛速發展之后，腦機接口作為一種亟待發展的新興技術進入了人們的視野。由于工作環境要求比較苛刻，該技術雖然在近幾年內得到了迅速的發展，但大部分成果還是局限于臨床與實驗室。本文從提高學生注意力的角度，在保證了腦機接口工作環境的條件下提出了一種將腦機接口與正念訓練結合，利用生物神經反饋實時關注學生注意力變化并在其走神時發出提醒，進而糾正學生并使其恢復專注，以達到提高學生注意力的目的。

關鍵詞：腦機接口;意力;正念;生物神經反饋

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0240-02

0 引言

2019年7月16日，“硅谷鋼鐵俠”召開其投資的Neuralink的發布會，宣告取得重大進展。該發布會的召開也反映了腦機接口技術的又一次進步，也許在不遠的將來，人們就能夠純粹使用意念進行通信。與此同時，人們也在發出疑問：對于大多數普通人而言，腦機接口有著怎樣的意義呢？

的確，腦機接口作為長期局限在實驗室、病床上的一種技術，對大多數普通人而言，似乎只有在醫療領域才有意義。但實際上腦機接口對于普羅大眾的意義遠遠比人們所認為的廣得多，筆者在此介紹一種將腦機接口技術應用在教育領域、用以提高學生注意力的應用思路。

1 腦機接口

1.1 腦機接口的定義

顧名思義，腦機接口是一種設置在人腦與計算機之間的信息傳輸接口，理想的情況下能夠直接采集大腦信息，越過語言、肢體等要素直接實現人腦與外界的交互。

1.2 腦機接口的種類

人的大腦被公認為是最為復雜的生理系統，人類的意識、想法、情感等均起源于此。如何檢測與人的大腦皮層活動一同出現的生理電位也成為了腦機接口首先要面對的問題。一般認為，人的大腦活動是由神經元的興奮所組成的，興奮的產生會在神經元上引發電位的尖峰，不同神經元的電位變化沿著大腦皮層、顱骨等外層組織進行傳遞，在人的頭皮上疊加出連續的電位變化。

為了監測到上述的電位變化，就必須加裝電位傳感器的探頭，也就是電極。由此腦機接口系統整體上可以劃分為三小類，二大類。第一個小類是將微型電極或電極陣列直接植入大腦的神經元上，記錄神經元的電位變化，這不僅需要打開顱骨，還需要穿刺過大腦皮質，在很長的一段時間內這種電極放置方式都是難以實現的，這是因為人的顱骨與皮質、皮質與神經元之間都是存在微小位移的，剛性的外來電極很有可能會對顱內結構造成損傷;第二個小類是在人的大腦皮質表面放置電極，這種實現方式雖然不需要穿刺皮質，但仍然需要考慮大腦皮質與顱骨之間的唯一以及顱骨的創口;第三小類則是直接在人的頭皮上放置電極進行檢測。

這三種方式實現難度、應用場景等各不相同。前兩小類屬于第一大類，一般認為是侵入式腦機接口，這種腦機接口能夠較好地保證較高的空間分辨率、較高的信噪比，但缺點也是顯而易見的，由于需要開顱手術，侵入式腦機接口難以在普通試驗者身上進行測試，往往需要尋找特殊病患來配合科研工作者。第三小類也被稱為非侵入式腦機接口，這種腦機接口的優點在于使用方便、普適性強，但由于顱骨對神經電信號本身的強削弱作用和電信號在傳導過程中的多路徑效應，非侵入式腦機接口的信號質量一般都比較差，需要開發者在算法環節進行比較多的研究和探索。

1.3 腦機接口的原理、特點和適用人群

一般認為，腦機接口由三部分組成，即信號采集模塊、信號處理模塊和交互模塊。信號采集模塊顧名思義，負責對人的腦電信號進行采集，具體步驟包括電極的初步采集，信號放大，模數轉換和向下個模塊的信號傳輸。信號處理模塊負責對信號采集模塊輸送的腦電信號按照預定的算法進行處理，一般包括預處理、特征提取和模式識別三個部分。交互模塊為使用者提供了應用腦電信號的平臺，在理論上該模塊既負責腦電信號的對外輸出，也負責外部信號的接入，但當前的技術條件只允許開發者利用腦電信號作為控制信號進行輸出。因此，當前腦機接口技術中最為重要的技術環節就是對腦電信號進行分類和識別，分辨出哪些是可以利用的信號，哪些是噪音，并將這些有用信號轉化為更加具體的指令。但值得注意的是，要想真正實現腦機接口的進步和普及，信號采集模塊的信噪比、靈敏度也是勢必要提升的性能指標。

2 注意力及其重要性

2.1 注意力定義

目前廣泛認可的注意力定義是指一個人在做某件事時能偶不為外界事物所打擾，對眼前工作專心致志的能力;同時也表現為根據自身需求，不為外界環境變化干擾并能及時轉變注意對象的能力。

注意力在心理學上強調兩個特征：集中性、指向性。其具體衡量指標有四個：注意力的穩定性、注意的廣度、注意的分配、注意的轉移。

2.2 注意力的重要性

沒有人可以否認在當今時代，保持專注是各行各業都在追求的一種能力。對于學生而言，盡早培養起專注當下、不為外界干擾的能力，對于學生本身的學習和未來的發展大有裨益。更重要的是，專注能夠大大提高時間利用率，讓學生能夠有更多的時間發展自己，拓展其他素質。

3 正念訓練與生物神經反饋

正念訓練這一概念最初在心理學上被提出，是一種在心理學上應用頗廣的治療方法。其目的是提高學生的注意力。正念訓練的實現形式有很多，既有聽覺上的，又有視覺上的，一種非常典型的方式就是冥想。但不論形式是什么，其主要目的都是使人專注于某件事情。這種目的聽起來是自相矛盾的——既然注意力已經不集中了，又如何讓其專注于某件事情呢？因此，實時監測用戶的注意力狀態就成為了訓練注意力最為重要的任務。

根據國內外專家的研究，已經可以確定當人的大腦處在不同的工作狀態時，腦電（EEG）對應著不同的工作頻率。例如，一般認為人腦最容易分辨的有四個波段，即δ（1-3Hz）、θ（4-7Hz）、α（8-13Hz）、β（14-30Hz）：當人在極度的疲勞、昏睡或麻醉狀態時，可以在顳葉和頂葉檢測到第一種波段;當人在青少年時期θ波段更加顯著;α波段是正常人腦電的基本節律，也是不接受外界刺激時的主要成分（例如閉眼睛）;當人處于激動、亢奮的狀態（例如夢中驚醒）時，β波段的成分將會大大增強。總之，腦電的呈現形式與人的狀態、動作息息相關，心情的變化、眼睛的眨動都會影響腦電的波形。反之，腦電的變化也能夠呈現人的變化。因此，腦電可以作為判斷用戶狀態的重要參考。

實際上，隨著腦機接口的發展，國外已經有人使用腦電生物反饋訓練來加強人的記憶力。所謂腦電生物反饋，即通過腦機接口實時采集用戶腦電并加以分析，將其當前狀態輸出，并交由計算機或專家給出訓練建議。這種方式能夠幫助用戶養成良好用腦習慣。

因此，只要我們能夠及時地提醒用戶，那么用戶就能集中注意力，完成相應的任務。而及時提醒的任務就需要腦機接口來實時監測用戶的注意力情況。在理想情況中，腦機接口可以記錄人腦所有的數據，因此我們可以通過對腦機接口的信息進行解碼來獲悉用戶的狀態。但是在當前的技術階段和法律規定條件下，我們并沒有辦法做到在各種情況下對人的腦電監測。因此，雖然腦機接口技術本身的應用場景非常廣泛，但對于具體的某個腦機接口產品而言，其適用的場景往往是有限的，在當前的技術條件下使用腦機接口來監測學生在讀書、吃飯、跑步等各種情況下的注意力情況。但是，正念訓練的結果是普適性的，即如果學生能夠在冥想過程中通過生物神經反饋強化注意力，那么這種生理性的提高在其他學習、工作的過程中是仍然存在和保持的。因此，開發者只需要能夠做到在有限個簡單的正念訓練中對用戶的注意力監測（即各個腦電波段的動態變化情況），就可以實時地監測用戶的注意力狀況，也就可以適時地對用戶的狀態加以糾正和提醒，讓走神的用戶重新回到專注的狀態。

綜上，腦機接口對學生注意力的提升絕不是僅限于學校場景，實際上在家庭生活中也完全可以實現。但就目前的發展狀況而言，腦機接口的使用仍然需要一個相對安靜、少干擾的環境，因此可能需要在家庭和學校這樣的地點進行。相信在不遠的將來，隨著傳感器技術、信息技術等與腦機接口相關的技術的發展，更加便攜、靈活的腦機接口硬件必定會問世，也能夠更好地幫助在校學生提高注意力。

4 結語

本文的主旨在于討論使用腦機接口提升學生的注意力的可能，實際上在國外已經有著非常成熟的神物神經反饋技術，這些技術不僅用在提升注意力的領域，在幫助中風患者恢復身體機能、提升嬰幼兒記憶力、促進腦發育等方面都有著或多或少的應用。筆者希望在不遠的將來市場上能夠出現這種家庭使用的提升注意力的腦機接口產品，通過簡單的任務來訓練使用者的注意力。

參考文獻

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