起初，對於一個八歲的孩子來說，這個電腦遊戲看起來非常簡單——就像 20 世紀 80 年代街機遊戲的石器時代產物。一個紅色三角形“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，會出現一個帶刺的黃色太陽。
再看一眼就會發現事情並非如此簡單。首先，本沒有操縱桿。相反，幾個粘在男孩臉上和頭髮下皮膚上的電極讓他僅憑意念就能駕駛飛機。
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。“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，”德國蒂賓根大學精神病學和心理治療大學醫院的心理學家烏爾裡克·萊因斯解釋說。
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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——他們無法說話或做手勢——能夠與護理人員溝通。透過控制他們的大腦電波，患者可以在計算機螢幕上操作字母和單詞。神經反饋的練習也可能使那些患有癲癇、注意力缺陷、抑鬱症和其他使人衰弱的精神障礙的人受益。這種實驗性療法，也稱為腦電生物反饋，甚至可能幫助激發健康大腦的活力，提高認知能力。
從生物反饋到神經反饋
這項技術是生物反饋技術的高科技變革——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，人們看到或聽到生理測量結果，這些結果可以指示壓力，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，一個人可以從聽到自己急促的脈搏中意識到自己處於緊張狀態，然後學會自覺地降低心率。
關於大腦電波可以被有意改變的最初線索出現在近四十年前。在 20 世紀 60 年代後期，睡眠研究員 M·巴里·斯特曼在追蹤貓的腦電圖時學到了一些有趣的東西。他發現了一種先前未知的腦電波模式，其頻率在 12 到 15 赫茲 (Hz)，或每秒週期數，位於大腦的一部分，稱為感覺運動皮層。斯特曼現在是加州大學洛杉磯分校的榮譽退休教授，他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。當他在這些時刻用零食獎勵動物時，它們開始產生更強的 SMR。透過這個條件反射實驗，斯特曼證明了有可能有意地改變自己的腦電波。
研究人員可能並沒有繼續跟進這一發現。但大約在同一時間，他收到了美國空軍的請求，他們希望他測試暴露於一甲基肼（一種用於某些火箭燃料中並已知會引起癲癇發作的物質）的潛在認知影響。斯特曼將化學物質注射到貓體內。大約一小時後，它們中的大多數都發生了癲癇發作。然而，在少數受試者中，癲癇發作的開始時間明顯晚於通常情況；另有三隻完全逃脫了抽搐。為了尋找抵抗力的答案，斯特曼檢查了他的實驗方案。他觀察到，有彈性的貓有一個共同點：它們之前曾參與過他的條件反射測試。它們控制 SMR 波的能力可能是其中一個因素嗎？
斯特曼在進一步的實驗中追查了這個問題。在 20 世紀 70 年代早期，他發現有跡象表明，癲癇患者如果學會提高他們的 SMR 水平，也可以降低癲癇發作的風險。然而，由於缺乏徹底的研究，這個想法仍然存在爭議。
大腦控制
在斯特曼最初對 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，其他不同頻率的大腦電波也表徵了某些精神狀態 [參見第 81 頁的插圖]。例如，在深度睡眠中，頻率高達 4 Hz 且幅度較高的德爾塔波占主導地位。大約 10 Hz 的頻率，稱為阿爾法波，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。如果我們然後開始專注於某事，頻率大於 13 Hz 的貝塔波就會穿過皮層。當大腦放鬆時，會出現較低頻率的西塔波。西塔波具有高振幅，頻率介於德爾塔波和阿爾法波之間，通常出現在成年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的腦電波的萬能公式。“每個受試者都必須透過反覆試驗來發現自己的個人策略，”萊因斯解釋說。為了增加大腦活動，從而使影片飛機向上飛行，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，男孩會嘗試平靜他的大腦以使飛機俯衝；在他的思想中，他躺在床上小睡。
在蒂賓根，研究癲癇療法的研究人員正在研究腦電圖的另一個組成部分，稱為慢皮質電位，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質神經元的過度興奮，通常在非常有限的區域，大腦活動會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。這種負慢電位通常也會在大腦中出現。因此，神經反饋的目標是讓患者認識到這種電負性的開始，然後將他們的 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。
該方法似乎很有希望。在 2001 年的一項研究中，尼爾斯·比爾鮑默及其在蒂賓根的同事與傳統醫療療法無法幫助的癲癇患者合作。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。
精神有氧運動
貝塔波是治療兒童注意力缺陷多動障礙或 ADHD 的目標。“正是這些較高頻率的腦電波，在 ADHD 兒童中，與健康兒童相比，較弱，”萊因斯說。據應用心理生理學和生物反饋協會稱，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。在負責注意力控制的前額葉皮層中，較高頻率腦電波的水平降低尤其明顯。這些孩子較低頻率的腦電波也會增加，尤其是 4 到 7.5 Hz 的西塔波。萊因斯說，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西塔波，從而產生更多的貝塔波。”
今天，本完成了 45 次“命中”——即他隨意成功地提升或降低大腦活動的次數。他獲得了五分的禮品卡，然後他就可以離開了。然而，他的精神訓練今天還沒有結束。本被告知也要在日常生活中練習大腦控制。例如，在開始做作業之前，他要先想象投進幾個球。以這種方式激發大腦似乎有助於像本這樣的孩子集中注意力。“許多孩子說他們之後可以更好地集中注意力並更快地完成作業，”萊因斯說。
本和蒂賓根實驗中的其他孩子接受了幾個月共 30 小時的訓練。研究人員在使用標準化測試（專門用於監測注意力）的治療前後立即測量了他們的認知能力。在治療六個月後，他們再次接受檢查。在神經反饋療程後，受試者在注意力和智力評估中表現更好。老師報告說，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方面的問題更少。萊因斯認為這些結果是積極的，但並非決定性的。“我們仍然缺乏對許多兒童的對照研究，這將把這項技術與其他治療方法進行比較，”研究人員說。
平衡行為
許多精神疾病都伴隨著不尋常的腦電波模式，這一事實為神經反饋提供了另一種可能的治療應用。這些變化是這些疾病的原因還是結果並不總是清楚的。至少，這種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不尋常的不對稱性。顯然，左右半球前部之間阿爾法活動的分佈可能與情緒有關。在抑鬱症患者中，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·彼得·羅森菲爾德正在嘗試透過神經反饋來緩解抑鬱症。羅森菲爾德認為，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埃爾莎·貝爾和魯弗斯·貝爾在 20 世紀 90 年代中期開發了一個神經反饋訓練計劃。每當左額葉皮層的阿爾法波幅度高於右側時，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耳朵中的聲音保持越來越長的時間。
一個引人注目的案例涉及一位女性，她之前曾接受過複發性抑鬱症治療 12 年，但沒有成功。在僅 35 小時的訓練後，結合心理治療，她的症狀急劇減輕。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 EEG 反饋在其他抑鬱症患者中取得了成功，但埃爾莎·貝爾敦促謹慎。“這是一種實驗性方案，”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。”
大腦提升？
除了療法之外，神經反饋能否提高健康大腦的認知能力？美國國家航空航天局 (NASA) 多年來一直使用 EEG 生物反饋來提高飛行員的注意力。
為了瞭解更多資訊，心理學家大衛·弗農（現任英國坎特伯雷基督教堂大學）邀請了 40 名志願者來到他的實驗室。他和其他人想 выяснить 刻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系列單詞。然後他給他們一個類別，例如“動物”，並要求他們回憶儘可能多的列表中符合該分組的單詞。
在訓練之前，參與者只能記住 71% 的單詞。在八個療程中，他們學會了加強他們的 SMR——斯特曼曾研究過的相同模式。訓練結束後，弗農再次測試了他的受試者，這次他們可以記住幾乎 82% 的單詞。弗農的研究小組於 2003 年 1 月公佈了結果。“這裡我們首次證明了神經反饋與記憶力改善之間存在聯絡，”弗農聲稱。
當年晚些時候發表的一項研究支援了腦電波訓練可以提高認知的觀點。神經科學家托比亞斯·埃格納（現任哥倫比亞大學）和約翰·H·格魯澤利爾（現任倫敦大學金史密斯學院）在倫敦皇家音樂學院（倫敦著名的年輕音樂家精英學校）招募了測試物件。一些受試者透過計算機螢幕上的反饋，學習瞭如何控制阿爾法波和西塔波範圍內的慢波。神經反饋後，據專家評估，音樂家的能力大大提高。改進之處涉及音樂理解、風格精確度和富有想象力的演繹等各個領域。更重要的是，學生們犯的錯誤明顯減少。
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，格魯澤利爾正在考慮如何使用 SMR 強化來訓練那些職業需要異常穩定雙手的人，例如眼科外科醫生。
（作者）
烏爾裡希·克拉夫特，一位醫生，《Gehirn & Geist》的定期撰稿人，是柏林的一位自由科學作家。
（延伸閱讀）
不同神經反饋協議訓練對認知能力方面的影響。D. Vernon 等人在國際心理生理學雜誌，第 47 卷，第 1 期，第 75-85 頁；2003 年 1 月。
低貝塔波段成分的 EEG 生物反饋：對注意力和事件相關腦電位的變數的頻率特異性影響。T. Egner 和 J. Gruzelier 在臨床神經生理學，第 115 卷，第 1 期，第 131-139 頁；2004 年。