脑机接口助力学生提高注意力水平

贾镒诚

摘 要：在“人工智能”、“大数据”等概念的提出与飞速发展之后，脑机接口作为一种亟待发展的新兴技术进入了人们的视野。由于工作环境要求比较苛刻，该技术虽然在近几年内得到了迅速的发展，但大部分成果还是局限于临床与实验室。本文从提高学生注意力的角度，在保证了脑机接口工作环境的条件下提出了一种将脑机接口与正念训练结合，利用生物神经反馈实时关注学生注意力变化并在其走神时发出提醒，进而纠正学生并使其恢复专注，以达到提高学生注意力的目的。

关键词：脑机接口;意力;正念;生物神经反馈

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0240-02

0 引言

2019年7月16日，“硅谷钢铁侠”召开其投资的Neuralink的发布会，宣告取得重大进展。该发布会的召开也反映了脑机接口技术的又一次进步，也许在不远的将来，人们就能够纯粹使用意念进行通信。与此同时，人们也在发出疑问：对于大多数普通人而言，脑机接口有着怎样的意义呢？

的确，脑机接口作为长期局限在实验室、病床上的一种技术，对大多数普通人而言，似乎只有在医疗领域才有意义。但实际上脑机接口对于普罗大众的意义远远比人们所认为的广得多，笔者在此介绍一种将脑机接口技术应用在教育领域、用以提高学生注意力的应用思路。

1 脑机接口

1.1 脑机接口的定义

顾名思义，脑机接口是一种设置在人脑与计算机之间的信息传输接口，理想的情况下能够直接采集大脑信息，越过语言、肢体等要素直接实现人脑与外界的交互。

1.2 脑机接口的种类

人的大脑被公认为是最为复杂的生理系统，人类的意识、想法、情感等均起源于此。如何检测与人的大脑皮层活动一同出现的生理电位也成为了脑机接口首先要面对的问题。一般认为，人的大脑活动是由神经元的兴奋所组成的，兴奋的产生会在神经元上引发电位的尖峰，不同神经元的电位变化沿着大脑皮层、颅骨等外层组织进行传递，在人的头皮上叠加出连续的电位变化。

为了监测到上述的电位变化，就必须加装电位传感器的探头，也就是电极。由此脑机接口系统整体上可以划分为三小类，二大类。第一个小类是将微型电极或电极阵列直接植入大脑的神经元上，记录神经元的电位变化，这不仅需要打开颅骨，还需要穿刺过大脑皮质，在很长的一段时间内这种电极放置方式都是难以实现的，这是因为人的颅骨与皮质、皮质与神经元之间都是存在微小位移的，刚性的外来电极很有可能会对颅内结构造成损伤;第二个小类是在人的大脑皮质表面放置电极，这种实现方式虽然不需要穿刺皮质，但仍然需要考虑大脑皮质与颅骨之间的唯一以及颅骨的创口;第三小类则是直接在人的头皮上放置电极进行检测。

这三种方式实现难度、应用场景等各不相同。前两小类属于第一大类，一般认为是侵入式脑机接口，这种脑机接口能够较好地保证较高的空间分辨率、较高的信噪比，但缺点也是显而易见的，由于需要开颅手术，侵入式脑机接口难以在普通试验者身上进行测试，往往需要寻找特殊病患来配合科研工作者。第三小类也被称为非侵入式脑机接口，这种脑机接口的优点在于使用方便、普适性强，但由于颅骨对神经电信号本身的强削弱作用和电信号在传导过程中的多路径效应，非侵入式脑机接口的信号质量一般都比较差，需要开发者在算法环节进行比较多的研究和探索。

1.3 脑机接口的原理、特点和适用人群

一般认为，脑机接口由三部分组成，即信号采集模块、信号处理模块和交互模块。信号采集模块顾名思义，负责对人的脑电信号进行采集，具体步骤包括电极的初步采集，信号放大，模数转换和向下个模块的信号传输。信号处理模块负责对信号采集模块输送的脑电信号按照预定的算法进行处理，一般包括预处理、特征提取和模式识别三个部分。交互模块为使用者提供了应用脑电信号的平台，在理论上该模块既负责脑电信号的对外输出，也负责外部信号的接入，但当前的技术条件只允许开发者利用脑电信号作为控制信号进行输出。因此，当前脑机接口技术中最为重要的技术环节就是对脑电信号进行分类和识别，分辨出哪些是可以利用的信号，哪些是噪音，并将这些有用信号转化为更加具体的指令。但值得注意的是，要想真正实现脑机接口的进步和普及，信号采集模块的信噪比、灵敏度也是势必要提升的性能指标。

2 注意力及其重要性

2.1 注意力定义

目前广泛认可的注意力定义是指一个人在做某件事时能偶不为外界事物所打扰，对眼前工作专心致志的能力;同时也表现为根据自身需求，不为外界环境变化干扰并能及时转变注意对象的能力。

注意力在心理学上强调两个特征：集中性、指向性。其具体衡量指标有四个：注意力的稳定性、注意的广度、注意的分配、注意的转移。

2.2 注意力的重要性

没有人可以否认在当今时代，保持专注是各行各业都在追求的一种能力。对于学生而言，尽早培养起专注当下、不为外界干扰的能力，对于学生本身的学习和未来的发展大有裨益。更重要的是，专注能够大大提高时间利用率，让学生能够有更多的时间发展自己，拓展其他素质。

3 正念训练与生物神经反馈

正念训练这一概念最初在心理学上被提出，是一种在心理学上应用颇广的治疗方法。其目的是提高学生的注意力。正念训练的实现形式有很多，既有听觉上的，又有视觉上的，一种非常典型的方式就是冥想。但不论形式是什么，其主要目的都是使人专注于某件事情。这种目的听起来是自相矛盾的——既然注意力已经不集中了，又如何让其专注于某件事情呢？因此，实时监测用户的注意力状态就成为了训练注意力最为重要的任务。

根据国内外专家的研究，已经可以确定当人的大腦处在不同的工作状态时，脑电（EEG）对应着不同的工作频率。例如，一般认为人脑最容易分辨的有四个波段，即δ（1-3Hz）、θ（4-7Hz）、α（8-13Hz）、β（14-30Hz）：当人在极度的疲劳、昏睡或麻醉状态时，可以在颞叶和顶叶检测到第一种波段;当人在青少年时期θ波段更加显著;α波段是正常人脑电的基本节律，也是不接受外界刺激时的主要成分（例如闭眼睛）;当人处于激动、亢奋的状态（例如梦中惊醒）时，β波段的成分将会大大增强。总之，脑电的呈现形式与人的状态、动作息息相关，心情的变化、眼睛的眨动都会影响脑电的波形。反之，脑电的变化也能够呈现人的变化。因此，脑电可以作为判断用户状态的重要参考。

实际上，随着脑机接口的发展，国外已经有人使用脑电生物反馈训练来加强人的记忆力。所谓脑电生物反馈，即通过脑机接口实时采集用户脑电并加以分析，将其当前状态输出，并交由计算机或专家给出训练建议。这种方式能够帮助用户养成良好用脑习惯。

因此，只要我们能够及时地提醒用户，那么用户就能集中注意力，完成相应的任务。而及时提醒的任务就需要脑机接口来实时监测用户的注意力情况。在理想情况中，脑机接口可以记录人脑所有的数据，因此我们可以通过对脑机接口的信息进行解码来获悉用户的状态。但是在当前的技术阶段和法律规定条件下，我们并没有办法做到在各种情况下对人的脑电监测。因此，虽然脑机接口技术本身的应用场景非常广泛，但对于具体的某个脑机接口产品而言，其适用的场景往往是有限的，在当前的技术条件下使用脑机接口来监测学生在读书、吃饭、跑步等各种情况下的注意力情况。但是，正念训练的结果是普适性的，即如果学生能够在冥想过程中通过生物神经反馈强化注意力，那么这种生理性的提高在其他学习、工作的过程中是仍然存在和保持的。因此，开发者只需要能够做到在有限个简单的正念训练中对用户的注意力监测（即各个脑电波段的动态变化情况），就可以实时地监测用户的注意力状况，也就可以适时地对用户的状态加以纠正和提醒，让走神的用户重新回到专注的状态。

综上，脑机接口对学生注意力的提升绝不是仅限于学校场景，实际上在家庭生活中也完全可以实现。但就目前的发展状况而言，脑机接口的使用仍然需要一个相對安静、少干扰的环境，因此可能需要在家庭和学校这样的地点进行。相信在不远的将来，随着传感器技术、信息技术等与脑机接口相关的技术的发展，更加便携、灵活的脑机接口硬件必定会问世，也能够更好地帮助在校学生提高注意力。

4 结语

本文的主旨在于讨论使用脑机接口提升学生的注意力的可能，实际上在国外已经有着非常成熟的神物神经反馈技术，这些技术不仅用在提升注意力的领域，在帮助中风患者恢复身体机能、提升婴幼儿记忆力、促进脑发育等方面都有着或多或少的应用。笔者希望在不远的将来市场上能够出现这种家庭使用的提升注意力的脑机接口产品，通过简单的任务来训练使用者的注意力。

参考文献

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