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Anna Andreeva / 2nd year student, BA profile 'Animation and Illustration’,
HSE Art and Design School
神經(jīng)反饋(NFB)是一種神經(jīng)調節(jié)技術，允許人們調整自己的大腦活動參數(shù)。通常，NFB使用腦電圖(EEG)數(shù)據(jù)來反映人頭部表面電場電位的變化。EEG參數(shù)作為視覺刺激(屏幕上的列高、屏幕亮度)的形式呈現(xiàn)給受試者，同時任務將這些參數(shù)按需要的方向改變。通過關注NFB信號，受試者試圖記住參數(shù)和他們的精神狀態(tài)之間的關系。這讓人能夠“感覺”自己大腦的活動，并學會如何控制它。很多時候，這種學習是在潛意識中進行的，也就是說，沒有使用任何特定的策略。
俄羅斯國立高等經(jīng)濟大學(HSE大學)的科學家首次在世界范圍內研究了延遲強化信號對神經(jīng)反饋(NFB)訓練的影響。他們通過實驗證明，減少反饋的延遲(減少反饋等待時間)可以顯著提高訓練的效果。這為使用NFB增強認知能力、自我調節(jié)以及治療從焦慮、抑郁到癲癇等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病開辟了新的潛力。這項研究發(fā)表在《神經(jīng)工程雜志》上。
HSE大學研究人員之前的研究結果表明，在大多數(shù)現(xiàn)代NFB系統(tǒng)中，強化信號滯后于神經(jīng)元活動的變化，導致學習效率低下和NFB治療結果的廣泛分散。為了提供進入小延遲領域的途徑，科學家們開發(fā)了一種新的濾波腦電圖信號的數(shù)學方法，允許快速估計大腦節(jié)律性活動的參數(shù)。
“這種方法使我們能夠以最小的外部系統(tǒng)響應延遲訪問大腦未知的交互區(qū)域。它使大腦能夠將人工創(chuàng)建的反饋回路感知為自己神經(jīng)網(wǎng)絡的一部分。這是一個質的飛躍，開啟了神經(jīng)反饋范式研究的新時代”，HSE大學生物電接口中心主任AlexeyOssadtchi表示。
這一發(fā)展使科學家能夠對反饋延遲在神經(jīng)反饋訓練效果的影響進行開創(chuàng)性的研究。研究人員對40名受試者進行訓練，讓他們根據(jù)電腦屏幕上顯示的反饋信號來增強自己頂葉阿爾法節(jié)律的功率。
研究人員設計了相關的實驗與信號處理，其示意圖如下：
圖1:實驗與信號處理原理圖
如上圖，A圖為實驗設計，先記錄靜息狀態(tài)的腦電圖活動，再記錄NFB時段。最后，記錄訓練后的基線。B圖中為信號處理管道(pipeline)，其中多通道EEG信號由空間濾波器處理以去除偽像，將其轉換為窄帶信號，經(jīng)過人為延時進行時移，并轉換為視覺反饋。
研究人員檢測具有不同閾值的alpha脈沖，如下圖所示，脈沖幅度和持續(xù)時間特性。曲線代表alpha包絡線。A：選擇一個具有較高閾值的窄脈沖串。B：所選的脈沖序列變寬，并且以較低的閾值檢測到另一個脈沖串。
實驗的參與者被分成四組。第一組的人在測試時收到的反饋信號延遲時間最短，為240毫秒。HSE大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)成功地實現(xiàn)了一種反饋回路，在總延遲小于110毫秒的情況下，增強瞬時窄帶節(jié)律功率。第二組和第三組的反饋信號分別被人為地延遲了250毫秒和500毫秒，而第四組的反饋信號與他們的大腦活動完全無關。
結果表明，與其他組相比，延遲最小組的受試者在訓練時間更少的情況下達到了一定水平的阿爾法節(jié)律功率。此外，對訓練后的alpha節(jié)奏的分析顯示，只有延遲最小的那組受試者的節(jié)奏功率表現(xiàn)出持續(xù)的增長。這一結果尤其重要，因為實現(xiàn)可持續(xù)的變化是NFB治療的主要目標。
論文信息：
Short-delay neurofeedback facilitates training of the parietal alpha rhythm
