起初，這個電腦遊戲對於一個八歲的孩子來說似乎非常簡單——就像 20 世紀 80 年代街機遊戲的石器時代產物。 紅色三角形“箭頭”出現在顯示器的藍色螢幕上，然後一架卡通飛機的機頭從左側滑入視野。 如果箭頭指向上方，本必須讓飛機爬升。 當他成功時，一個尖尖的黃色太陽會發出光芒。
仔細一看就會發現，一切並非看起來那麼簡單。 首先，本沒有操縱桿。 相反，粘在男孩臉部和他頭髮下皮膚上的幾個電極讓他僅憑思想就能駕駛飛機。
本正在參與一項實驗。 重點是利用神經反饋——一種基於腦電圖 (EEG) 的訓練工具，腦電圖是測量伴隨任何大腦活動的電位變化的。 電極傳導大腦訊號，然後由計算機程式處理並輸入到遊戲中。 因此，飛機的運動向本揭示了他腦海中剛剛發生的事情。 德國蒂賓根大學醫學心理學和行為神經生物學研究所的心理學家烏爾裡克·萊因斯解釋說：“透過反饋，孩子們應該學會刻意控制他們大腦活動的某些引數。”
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這種“讀心術”提供了許多可能的應用。 例如，它使“閉鎖綜合徵”患者（無法說話或做手勢）能夠與護理人員溝通 [參見尼古拉·諾伊曼和尼爾斯·比爾鮑默的《大聲思考》；《大眾科學·思想》，首刊，第 14 卷，第 5 期，2004 年]。 透過控制他們的大腦電波，患者可以在電腦螢幕上操作字母和單詞。 神經反饋訓練也可能使癲癇、注意力缺陷、抑鬱症和其他使人衰弱的精神障礙患者受益。 這種實驗性療法，也稱為腦電生物反饋，甚至可能有助於啟用健康的大腦，提高認知能力。
從生物反饋到神經反饋
這項技術是對生物反饋的高科技改進——生物反饋是一種長期用於治療與壓力相關的疾病的方法。 在生物反饋中，人們看到或聽到可以指示壓力的生理測量值，例如血壓升高、心率加快或肌肉緊張。 從監測裝置接收此類資訊使得通常無法檢測到的身體功能可以進行有意識的調節。 例如，一個人可以從傾聽自己加速的脈搏中意識到自己處於緊張狀態，然後學會有意識地降低心率。
大腦電波可以被有意改變的第一個線索出現在大約四十年前。 在 20 世紀 60 年代後期，睡眠研究員 M. Barry Sterman 在追蹤貓的腦電圖時學到了一些有趣的東西。 他在大腦中稱為感覺運動皮層的一部分發現了一種以前未知的腦電波模式，其頻率在 12 到 15 赫茲 (Hz) 或每秒週期之間。 Sterman，現任加州大學洛杉磯分校榮譽退休教授，將這種模式稱為感覺運動節律或 SMR。 他了解到，SMR 總是存在於放鬆和清醒的貓科動物中。 當他在那些時刻用零食獎勵這些動物時，它們開始產生更強的 SMR。 透過這個條件反射實驗，Sterman 證明了故意改變自己的腦電波是可能的。
研究人員很可能沒有跟進這一發現。 但幾乎在同一時間，他收到了美國空軍的請求，空軍希望他測試暴露於甲基肼（一種用於某些火箭燃料中且已知會引起癲癇發作的物質）的潛在認知影響。 Sterman 將這種化學物質注射到貓體內。 大約一小時後，它們中的大多數都癲癇發作了。 然而，在少數受試者中，癲癇發作的 onset 比平時晚得多； 另有三隻完全避免了抽搐。 為了尋求對這種抵抗力的解答，Sterman 檢查了他的實驗方案。 他觀察到，有抵抗力的貓有一個共同點：它們之前都參與了他的條件反射測試。 它們控制 SMR 波的能力是否可能是一個因素？
Sterman 在進一步的實驗中繼續研究這個問題。 在 20 世紀 70 年代初期，他發現跡象表明，癲癇患者如果學會提高 SMR 水平，也可以降低癲癇發作的風險。 然而，由於缺乏深入研究，這個想法仍然存在爭議。
大腦控制
在 Sterman 最初對 SMR 進行研究 30 多年後，科學家們正在探索如何使用神經反饋來治療各種疾病。 除了 SMR 之外，其他不同頻率的腦電波也表徵著某些精神狀態 [參見第 63 頁的插圖]。 例如，在深度睡眠中，頻率高達 4 Hz 且振幅高的 delta 波占主導地位。 頻率約為 10 Hz 的 alpha 波存在於放鬆但清醒的大腦中； 例如，當我們閉上眼睛躺下時，它們就會出現。 如果我們隨後開始專注於某事，則頻率大於 13 Hz 的 beta 波會穿過皮層。 當大腦放鬆時，會出現低頻 theta 波。 Theta 波具有高振幅，頻率介於 delta 波和 alpha 波之間，通常出現在成人的淺睡眠和冥想期間。
無論頻率如何，都沒有學習如何利用自己腦電波的靈丹妙藥。 “每個受試者都必須透過反覆試驗來發現自己獨特的策略，”Leins 解釋說。 為了增加大腦活動（使影片飛機向上轉向），蒂賓根實驗中的許多孩子說他們會想到一些令人興奮的事情——比如從跳板上跳下來。 本想象他正在樹林裡露營過夜。 如果方向箭頭指向下方，男孩會試圖平靜他的大腦以使飛機下降； 在他的思緒中，他躺在床上小睡。
在蒂賓根，從事癲癇治療的研究人員正在研究腦電圖的另一個組成部分，稱為慢皮層電位或 SCP。 這些腦電波可以指示皮層中的活動。 檢測它們很有用，因為癲癇發作始於皮層神經元的過度興奮，通常在非常有限的區域，大腦活動從該區域不受控制地擴散。 患者的 SCP 在癲癇發作前會向電負方向移動。 這種負慢電位也正常出現在大腦中。 因此，神經反饋的目標是讓患者認識到這種電負性的 onset，然後將其 SCP 推向正方向。 患者學會自覺地限制大腦活動，從而抑制癲癇發作。
這種方法似乎很有希望。 在 2001 年的一項研究中，尼爾斯·比爾鮑默和他在蒂賓根的同事與傳統醫療療法無濟於事的癲癇患者合作。 平均而言，使用 SCP 神經反饋的患者能夠將癲癇發作次數減少三分之一。 積極效果在訓練結束後持續了很長時間。
腦力鍛鍊
Beta 波是治療兒童注意力缺陷多動障礙 (ADHD) 的目標。 “正是這些高頻腦電波在 ADHD 兒童中比健康兒童弱，”Leins 指出。 根據應用心理生理學和生物反饋協會的資料，在美國，有 700 多個團體正在使用腦電生物反饋來治療 ADHD。
患有 ADHD 的兒童在學業和社交技能方面掙扎，因為他們躁動不安、衝動且難以集中注意力。 高頻腦電波水平降低在與注意力控制有關的前額葉皮層中尤其明顯。 孩子們的低頻波，尤其是 4 到 7.5 Hz 的 theta 波也增加。 Leins 說，透過神經反饋，“我們的 ADHD 受試者訓練他們的大腦產生更少的 theta 波，從而產生更多的 beta 波。”
今天，本完成了 45 次“命中”——即他成功隨意提升或降低大腦活動的次數。 他獲得了一張禮品卡上的五分，然後他可以自由離開了。 然而，他今天的腦力鍛鍊還沒有結束。 本已被告知在日常生活中也要練習大腦控制。 例如，在開始做作業之前，他要先想象投進幾個籃筐。 以這種方式啟動大腦似乎有助於像本這樣的孩子集中注意力。 “許多孩子說，之後他們可以更好地集中注意力，更快地完成作業，”Leins 說。
蒂賓根實驗中的兒童訓練 30 小時。 研究人員在使用專門用於監測注意力的標準化測試後，立即測量他們在治療前後的認知表現。 治療六個月後，再次對他們進行檢查。 在神經反饋治療後，受試者在注意力和智力評估中表現更好。 老師們報告說，他們在課堂上更安靜，更少衝動。 許多家長也表示，他們的孩子在做作業時遇到的問題更少。 Leins 認為這些結果是積極的，但不是決定性的。 “我們仍然缺乏對許多兒童的對照研究，這些研究會將這種技術與其他治療方法進行比較，”研究人員說。
平衡之術
許多精神疾病都伴隨著異常的腦電波模式，這一事實為神經反饋提供了另一種可能的治療應用。 這些變異是這些疾病的原因還是結果，這一點並不總是清楚。 至少，這些不常見模式的存在可能會阻礙康復。 例如，在 20 世紀 90 年代初期，威斯康星大學麥迪遜分校心理學和精神病學教授理查德·J·戴維森注意到抑鬱症患者的腦電波模式中存在異常的不對稱性。 顯然，左右半球前部之間 alpha 活動的分佈可能與情緒有關。 在抑鬱症受試者中，鐘擺向右擺動； 他們的左半球相對不活躍。
考慮到這一點，西北大學的心理學家 J. Peter Rosenfeld 正在嘗試使用神經反饋來緩解抑鬱症。 Rosenfeld 認為，如果患者能夠糾正自己的腦電波模式，他們或許能夠擺脫心中的陰霾。 因此，他和伊利諾伊州埃文斯頓 NeuroQuest 神經反饋中心的心理學家 Elsa Baehr 和 Rufus Baehr 在 20 世紀 90 年代中期開發了一個神經反饋訓練計劃。 每當左額葉皮層中 alpha 波的振幅高於右側時，參與者就會聽到單簧管演奏的悅耳音符。 在持續 15 到 30 分鐘的療程中，受試者努力學習如何讓音調在他們的耳朵中停留越來越長的時間。
一個引人注目的案例涉及一位女性，她之前曾因複發性抑鬱症接受治療 12 年，但沒有成功。 在僅接受 35 小時的訓練後，結合心理療法，她的症狀顯著減輕。 在隨後的六年跟蹤期內，她一直沒有抑鬱症。 儘管科學家們也可以指出腦電圖反饋在其他抑鬱症患者中取得的成功，但 Elsa Baehr 敦促謹慎。 “這是一個實驗性方案，”她指出。 “在進行對照研究之前，我們不會知道這種療法的效果如何。”
提升大腦能力？
除了療法之外，神經反饋能否提高健康大腦的認知能力？ 例如，美國宇航局多年來一直使用腦電生物反饋來提高飛行員的注意力。
為了瞭解更多資訊，現任英國坎特伯雷基督教會大學的心理學家大衛·弗農邀請了 40 名志願者來到他的實驗室。 他和其他人想 выяснить 故意影響某些腦電波模式是否可以提高工作記憶——工作記憶暫時儲存和管理執行復雜認知任務（如學習或推理）所需的資訊。 他首先向受試者展示了一個單詞列表。 然後他給他們一個類別，例如“動物”，並要求他們回憶列表中儘可能多的符合該分組的單詞。
在訓練之前，參與者只能記住 71% 的單詞。 在八次療程中，他們學會了加強他們的 SMR——與 Sterman 研究的模式相同。 訓練結束後，弗農再次測試了他的受試者，這次他們可以記住將近 82% 的單詞。 弗農的研究小組於 2003 年 1 月公佈了結果。 弗農聲稱：“在這裡，我們首次獲得了神經反饋與記憶力提高之間存在聯絡的證據。”
2003 年在倫敦帝國理工學院發表的一項研究支援了腦電波訓練可以提高認知能力的觀點。 神經科學家 Tobias Egner（現任哥倫比亞大學）和 John H. Gruzelier 在倫敦皇家音樂學院（倫敦著名的青年音樂家精英學校）招募了測試物件。 一些受試者透過電腦螢幕上的反饋，學會了如何控制 alpha 和 theta 範圍內的慢波。 據專家評估，神經反饋後，音樂家的能力得到了極大的提高。 改進體現在音樂理解、風格精確性和富有想象力的詮釋等各個方面。 更重要的是，學生們犯的錯誤明顯減少了。
如果進一步的實驗證實了這些結果，神經反饋可能會提供一系列應用。 例如，Gruzelier 正在考慮如何使用 SMR 強化來訓練那些職業需要異常穩定手的人，例如眼科醫生。