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          僅靠頭環就能檢測注意力?
          發布時間:2019-11-01
          出品:科普中國
          制作:陳宇峰 (ACC心理科普團隊)
          監制:中國科學院計算機網絡信息中心

            近日,浙江某小學采用了BrainCo公司(強腦科技)的一款腦機接口產品---賦思頭環(Focus1)。說是可以通過這一款腦機接口頭環,以及配套的APP,將頭環收集的大腦信號傳遞到電腦或手機上,能實時檢測并計算學生上課、做作業時的注意力分數,用以提升學生的注意力。 

          |BrainCo 

            根據BrainCo官方網站信息,該公司是哈佛大學創新實驗室孵化的華人團隊,專注于研發腦科學產品。這款腦機接口頭環還獲得了各種各樣的獎項,看來就差一個諾貝爾獎了。 

          |BrainCo 

            看到眾多媒體都在關注這款頭環把孩子當成機器來監測是否不太人道,以及這些大腦信息數據是否保密等等,作為一名曾經因收集和處理數據頭禿的認知神經科研工作者,看到這么“好”的產品,我卻忍不住心動了。 

            要知道這款產品價格低廉(售價3500元)卻便捷好用。配上便捷可攜帶式的設備(頭環)、實時處理技術(所謂的NASA算法和專注指數算法),能夠自動生成結果圖表并得出結論。所有過程幾乎都可以在一天甚至幾個小時內完成。比起我們花一年半載才能從頭到尾完成一個腦電實驗,效率簡直不能更高。 

            然而這款頭環所采用的技術真的可以實時檢測大腦注意力的變化嗎? 

            本著科研工作者認真嚴謹的態度,我仔細分析了這款產品的基本原理和技術。 

              

            僅靠一個頭環能收集腦電波嗎? 

            當我們看見美麗的景色,聆聽美妙的音樂,這些外部信息都會產生電信號,然后一路火花帶閃電,通過漫長的神經纖維傳達到大腦神經中樞,最終產生知覺和情感。大腦在活躍的時候,腦神經細胞會在大腦皮層或頭皮表面產生自發性或誘發性電位,我們可以通過腦電儀記錄下這些電波變化,稱之為腦電波(Electroencephalogram,EEG),其示意圖如下: 

          |http://www.xjishu.com/zhuanli/05/201810565890.html 

              

            腦電波非常微弱,它引起的電壓變化數量級是以微伏來計算的,所以我們平時根本感受不到它的存在,也很難采集到。加上腦電波非常容易受到干擾,當我們試圖排除無關的腦電波,只提取有用的腦電波的時候,卻很容易把想要的腦電波給過濾掉。所以對于腦電波的采集和解碼是并沒有那么簡單。科學家們在研究腦電波的時候往往采用專門的腦電儀來記錄腦電波的變化。腦電儀可以降低頭皮與電極之間的電阻,同時放大腦電波的強度,這才能實現腦電波的采集和分析。 

          |華南師范大學實驗中心 

            我們都知道大腦不同區域的功能是不一樣的。目前廣泛使用的腦電儀為了定位到相應的大腦功能區域,采用了帶有數十個電極的電極帽來采集電位,同時通過去除頭皮上的角質和涂抹導電膏來減小電阻,此外還需要配置腦電放大器用來增強信號強度。這樣收集的電信號才足夠用來分析。 

            然后我們再來看BrainCo推出的這款頭環,在視頻宣傳圖中可見,它只有一個環加上兩個電極。由于腦電波是一種電位差,必須要有一個參考電極,所以可推知這款頭環的有效電極僅有一個。而且既沒有采用減小電阻的措施,也沒有配置相應的腦電放大器,這樣真的可以采集到信號嗎?我表示嚴重懷疑。即使可以采集到信號,這些腦電波也是極其微弱的,根本無法用來解碼。 

            除此之外,這款頭環還聲稱是采用了非侵入式腦機接口技術Brain Machine InterfaceBMI)。這是一種可以實現大腦與機器之間的連接的技術,這項技術可以對腦電波信號進行解碼,并將其翻譯成機器能夠讀懂的指令,從而實現人腦與機器之間的交互。但說到底這個技術仍然是基于腦電信號的記錄和解碼來進行的,由于腦電信號的衰弱性和分散性,所以信號的分辨率非常低,即使可以記錄到信號,其解碼也是既困難也不準確的。 

              

            腦電波的信號解碼真的這么簡單嗎? 

            實時檢測注意力是否集中,解碼腦電波信號技術已經如此成熟了嗎?從這款頭環的設置來看,似乎腦電波的解碼好像聲卡對聲音的解碼和變聲一樣簡單,但其實不然。目前對于腦電波的解碼算法都類似于匹配法,也就是將某個時刻的腦電波與個體當時所做的活動匹配起來。例如讓被試連續看10張圖片,然后分別記錄下這10張圖片對應的10個時間段的腦電波。匹配完成后,就可以通過腦電信號的解碼來分析被試當前所觀看的圖片是哪一張。當這些圖片數量較少、內容比較簡單的時候,匹配準確率大概可以達到70%-80%。但是隨著圖片數量增加、內容逐漸復雜的時候,匹配準確率就會驟降到隨機水平以下。也就是說,目前來說,面對復雜的情景,腦電波的解碼是非常困難的。 

          |Cauchoix et al., 2014 

            然而這款頭環檢測的是學生在上課做作業時的注意力集中情況,可想而知這比起單純看圖片要復雜很多。這時候僅僅依靠兩三個電極采集的腦電信號,就要對注意力進行解碼分析,這個分析結果根本就不可信。 

              

            這款頭環解碼的腦電信號到底是什么? 

            為了弄清楚這款頭環解碼的腦電信號到底是什么信號,我從BrainCo在京東的官方旗艦店的宣傳視頻中仔細研究了一下: 

          |京東視頻截圖 

            從視頻中可觀察到的僅有兩個電極。電極材質我們不予置評,結合產品宣傳圖,可以看出一個電極是位于使用者額頭,一個電極是位于使用者耳后,不嚴謹地來說,前者的大腦區域定位是額葉,后者可以算是枕葉或顳葉。乍一看,這好像還挺有道理的,因為額葉跟人們的注意控制等功能有關,枕葉和顳葉則跟視覺功能是有關的。 

            但這個定位非常粗糙,無論是額葉還是枕葉、顳葉,這些對于大腦來說都是非常大的功能區,每一個區域都包含著非常多且復雜的功能,并不是整個額葉都只跟注意力有關系的,枕葉和顳葉除了視覺功能以外也還有很多別的功能,這個頭環將電極定位到這些區域,根本無法說明這些腦電信號代表了大腦的哪些功能。 

            另外,從我們實驗研究者的角度來看,這個頭環的檢測功能也是極其不靠譜的,因為當孩子在聽課做作業的時候,不僅僅使用了注意功能,同時還調動了記憶、想象和言語等很多其他功能,而且這些功能都在短時間內同時發生,根本無法得知此時孩子的心理過程是什么,僅靠這幾個電極,也無法將這些功能一一匹配到相應的腦電波上 

            所以這款頭環收集到的腦電信號,幾乎可以說是無效的,我們無法從中分離出注意力相關的信號。 

              

            既然頭環是無效的,那為什么使用頭環教學的老師和學生又評價說:學生的成績有提高呢? 

            這個其實不奇怪。想象一下如果你在學習的時候,老師一直站在你旁邊監督你;工作的時候老板一直在你旁邊觀察你,你的一舉一動都在他們眼中,你學習能不努力嗎?工作能不盡職盡責嗎? 

            這種效應我們把它稱為“霍桑效應”,即當我們意識到自己正在被別人觀察時,會刻意改變自己行為的傾向。社會心理學中也把這種效應稱為“社會助長”或“觀眾效應”,即當他人在場旁觀時,會提高當事人的活動效率。 

            學生成績的提升,只能說明學生自身是具有潛力的,只要努力學習,成績就會有相應的提升。而這款頭環只是起到了監督的作用而已。 

            其實賦思頭環跟最近出現的量子波動速讀本質上都是一樣的,人們對于自己不熟知的知識領域的敬畏,加上家長們和老師們對于孩子們的期望,共同導致了人們對于這些產品的迷信。 

            無知就是現代社會的封建迷信。在一項新技術出現在我們面前,聲稱可以改變社會的時候,一定要心存質疑,在了解這些技術背后的原理之后再作判斷,否則只會坑了自己,害了孩子。 

              

            參考文獻 

            Cauchoix, M., Barragan-Jason, G., Serre, T., & Barbeau, E. J. (2014). The neural dynamics of face detection in the wild revealed by MVPA. Journal of Neuroscience34(3), 846-854. 

            張海軍 ,王浩川.多導聯EEG信號分類識別研究[J]. 計算機工程與應用 ,2008 ,24. 

            ()戴維.邁爾斯.社會心理學:人民郵電出版社,2006 

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