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脑电生物反馈对认知和脑功能的影响

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脑电生物反馈对认知和脑功能的影响脑电生物反馈对认知和脑功能的影响 第44卷第1期 2015年1月内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版))JournalofInnerMonoliaNormalUniversitNaturalScienceEdition       gy(Vol.44No.1Jan.2015 脑电生物反馈对认知和脑功能的影响 蒋长好1,陈婷婷2 (首都体育学院北京市“运动机能评定和技术分析”重点实验室,北京11.00191; )首都师范大学心理学系北京市“学习与认知”重点实验室,北京,2.100048 摘 要:脑电生物反馈是通过一系列训练步骤来控...
脑电生物反馈对认知和脑功能的影响
脑电生物反馈对认知和脑功能的影响 第44卷第1期 2015年1月内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版))JournalofInnerMonoliaNormalUniversitNaturalScienceEdition       gy(Vol.44No.1Jan.2015 脑电生物反馈对认知和脑功能的影响 蒋长好1,陈婷婷2 (首都体育学院北京市“运动机能评定和技术分析”重点实验室,北京11.00191; )首都师范大学心理学系北京市“学习与认知”重点实验室,北京,2.100048 摘 要:脑电生物反馈是通过一系列训练步骤来控制、调节身心机能的一种方法.脑电生物反馈训练可以调 促进技能发展和提高任务表现.作为一种有效的训练工具,脑电生物反馈在临床、艺术和运动科学领整唤醒水平、 域有广泛应用.综述了脑电生物反馈在实践中的运用,探讨了脑电生物反馈的神经机制及其对认知和脑功能的影 并对该领域的未来研究趋向作了分析.响, 关键词:脑电;生物反馈;认知;优异表现;脑功能 ()中图分类号:B842  文献标志码:A  文章编号:10018735201501012904 ------ 脑电生物反馈是一种控制、调节身心机能的方法,它通过记录个体脑电活动并实时反馈脑电活动信息,使个体能够了解自身的心理、生理状态,并以自我意识来增强或减弱相关皮层的神经活动,从而达到自我调节内部心理生理变化、优化身心状态的目的. )、)、),脑电活动可以划分成多个不同的频率成分,如α波(以及8-13Hz13-20Hz8-13Hzθ波(β波( )感觉动作节律(等.不同脑波的频率成分常常分布在不同的大脑区sensormotorrhthm,SMR,12-15Hz yy  并对应于不同的认知或情绪加工,如α波是意识较放松时清醒的专注状态下的大脑电位活动,当大脑受域, 到外部刺激时,当大脑负荷增加时,α波活动会下降;θ波β波通常与注意和动作准备有关,β波会逐渐增加;在成年人受到挫折和情绪抑郁时活动极为显著;而大脑某些部位(如中央区)的SMR波活动变化与行为抑制有关.对特定脑电活动进行反馈训练,可以使受训练者学会主动控制脑电活动,进而提高其认知表现和情绪调节能力. 从已有的实验研究来看,脑电生物反馈训练能够有效地控制诸多心理、生理历程,如调整唤醒水平、改善注意、提高情绪调节与控制能力等.就实际应用而言,脑电生物反馈技术可以提供有价值的诊断和治疗信息,评估一些症状引发的心理生理反应,监控心理训练前后及过程中的心理生理变化,增强受训者的兴趣和信 提高任务表现,矫治多种身心问题.当前脑电生物反馈训练已广泛应用于医疗、教育、运动及表演艺术等心, 已有的研究,对相关研究的进一步开展不无裨益.诸多领域. 1 生物反馈训练对认知和任务表现的影响 在脑电生物反馈研究领域,一些研究者希望能通过客观的神经反馈手段,帮助受训练者改善认知功能, []从而提高任务表现.如B考察用脑电功率谱生物反馈帮助扩大新手ebiloni等1以高尔夫运动员为研究对象, 研究发现,与不成功推杆相比,新手运动员在成功推杆时,额中央区及右侧感觉运动皮层的高表现的可能性. 频α波功率更低,而且α波功率降低越大,推杆失误越少.研究者认为,新手运动员可以用α功率反馈提高注 []意集中能力,并进而运动表现.右颞叶区(大脑的T进行Landers等2尝试对射箭运动员的左、3和T4位置) 以期提高运动员的运动表现.研究者以2将被试生物反馈训练,4名中等以上水平的射箭运动员为研究对象,收稿日期:20141008-- ;);国家特殊需求博士人才培养项目(;基金项目:北京市科技平台项目(PXM2013014206000058PXM20150142060000482013,2014)---- );北京市社科项目();首都大学生思想政治教育研究课题()教育部人文社科项目(11YJA19000813ZHB008BJSZ2014ZL03 ,:作者简介:蒋长好(男,安徽巢湖人,首都体育学院副研究员,博士,主要从事运动脑成像研究,1976-)Eailcues.edu.cnianchanhao-m@pjgg ,:通信作者:陈婷婷(女,北京市人,首都师范大学博士,主要从事认知神经科学研究,1986-)E-mailcnuch@tom.com.j ·130·   内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)第44卷  、分配到正确的反馈组(左侧颞叶α波增加)错误的反馈组(右侧颞叶α波增加)和无反馈的对照组3个组别 中.通过对训练前和训练后的比较发现,正确的反馈训练组射箭成绩得到显著改善,而错误的反馈训练组射箭成绩显著降低,无反馈对照组成绩无变化.研究者据此认为,脑电生物反馈训练能有效地提高射箭运动员 此外,一些研究还同时采用多个频段的脑波进行生物反馈训练,从中发现反馈训练对注意的促的运动表现. 进.如一项研究对江苏8名男子重剑运动员进行了近9个月的干预训练,结果发现生物反馈干预训练后,运动员的脑电α波、皮温及心率均有显著变化,运动员的注意集中能力得到提MR波的波幅以及皮电、θ波和S []3];K高[运动员前额叶的不对称性特征.研究者erick等4进一步考察了向新手射击运动员提供消极反馈时, 假设,积极反馈可加强对任务的投入或接近性行为,而消极反馈则会降低对任务的投入程度或减少工作的参与程度.研究发现,新手射击运动员的前额叶不对称性并没有显著性差异,但变化趋势与假设的方向相同.研究者认为,由于新手射击运动员尚处于动作技能练习的初始阶段,研究没有发现前额叶不对称的显著性差异 而这些可变性的产生可能与他们不善于可能与技能学习初期有关的认知-情感过程中固有的可变性有关, 有效地分配神经资源有关. []脑电生物反馈技术也在艺术领域广泛应用.考察SEner等5以艺术学院的学生为对象,MR神经反馈g ,这一认知任务的影响.研究发现,随着训练次数训练对于连续表现测验(continuoustestCPT)erformance  p 的增加,而且在训练后,两组被试的前额叶、中央区及顶叶区的PSMR训练组的误判越来越少,300b波幅也 而P显著增加,SMR活动的增加与冲动性的抑制增强相关,300b波幅提高与工作记忆中对于环境相关信息 []提示S的加工能力提升有关,MR神经反馈训练能有效提高注意力和其他认知能力.Ramond等6的研究发y 现,脑电生物反馈有助于舞蹈运动员情绪的自我调节和控制.该研究将被试分为脑电生物反馈训练、心跳变异训练以及控制组3个组别,训练时间为4周,共1每次2脑电生物反馈训练组的电极点为顶叶0次,0min, 区的P研究发现,与控制组相比,两个训练组经过训练后,运动表现显著提升,但脑电生物反馈训练组z位置. 的整体舞蹈运动表现显著优于心跳变异训练组;同时神经反馈训练组在节奏成分的表现也显著优于心跳变异组.研究者认为,脑电生物反馈训练能有效降低消极情绪并增加积极情绪,使被训练者对节奏有更好的敏感性. ,对注意缺陷障碍(患者的研究也证实了脑电生物反馈AttentiondeficitheractivitdisorderADHD)- ypy  对认知和注意的促进作用.一项研究对2疗程为24名ADHD儿童进行每周3-4次、0次的脑电生物反馈治 并比较治疗前后脑电波的检查结果.结果发现,与治疗前相比,治疗后A其疗,DHD患儿脑电波幅明显改变, //中θ波波幅明显降低,研究者认为,脑电生物MR波幅显著升高,SMR比值显著降低.α波波幅和Sθα和θ []反馈治疗可提高儿童注意力水平,是治疗儿童A另一项研究脑电生物反馈治疗对3DHD的有效手段7.2例 符合D年龄在7-1治疗前后进行韦氏SM-IV诊断标准、5岁的ADHD患者进行了20次脑电生物反馈治疗. 数字划消、动态学习能力测试(和韦氏智力测试的注意记忆因子测试.研究发现,记忆、StrooCPT、DLM)p、 治疗后较治疗前被试的短时记忆、记忆商数、持续注意力均有明显改善,冲动性下降,提示脑DLM分类提高, []电生物反馈对ADHD儿童认知有积极影响8. 总之,采用不同的脑电波段,对不同对象的研究均发现脑电生物反馈对认知有促进作用. 2 脑电生物反馈的神经机制 生物反馈技术可追溯到经典的条件反射理论.已有的研究发现,由中枢神经系统调节的经典条件反射的不仅对随意肌有效,对自主神经系统所控制的内脏功能,如血管、气管、肠道平滑肌紧张度、呼吸、脉搏建立, 的节律以及脑电形态和节律也同样有效. 早期的研究发现,生物反馈训练的神经机制主要是神经系统两条线路的作用.第一,神经信号从大脑发出后,传至脊髓,再通过脊髓前角细胞去控制骨骼肌.第二,神经信号从脊髓传出,通过复杂的神经节、网传递 自主神经系统经过一段时间训练后,也能通过意识加以控制,由器官活动的结果作为信号传入到内脏器官. 脑中,从而控制动作发生的过程.就脑电生物反馈训练对大脑活动的影响来看,当前有以下的主要发现.2.1 脑区激活水平增加 个体的注意集中受相关脑区特别是前额叶的控制,例如A其前额叶DHD儿童的核心特征是注意缺陷,  第1期蒋长好等:脑电生物反馈对认知和脑功能的影响·131·   活动激活水平较低,表现为前额叶区的高θ波与低β波特征,而脑电生物反馈训练可以矫治这一脑区的活动模式.有研究者以8-1进行2-3个月的神经反馈训练,训练模式是要求参与9岁的ADHD青少年为被试, 者增加前额叶β波的活动,同时抑制θ波活动,试图利用高频脑波训练来增加前额区神经活动激活水平.研 脑电生物反馈训练有效抑制了θ波以及增加β波活动,后测的注意力测验和智力测验成绩明显提究发现, 9]高,同时随着训练的进行,由被试父母所评定的注意力失调评分量表得分也逐渐提高[. 在这一类研究中,儿童注意力提升的机制在于,经过脑电生物反馈训练后,ADHD儿童能以自己的意识来调节前额叶的激活水平,进而提高与注意集中有关的作业表现. 2.2 神经活动效率化 神经活动效率化假说认为,训练对脑功能的影响同样遵循用进废退的原则,经过训练或练习,大脑神经回路和其他生理系统发展出一套有效率的动作执行程序,这一套程序使受训练者在反应时能以更经济的大 将动作执行模式逐渐转为自动化的加工方式.在自动化的加工条件下,其活动执行脑神经资源来执行动作, 不容易因其他认知信息干扰而造成多余的神经资源输出,并能以较准确及经济的神经资源运用方式进行信 10]息加工[有研究者曾考察了脑电生物反馈训练对射击运动员脑区活动特征的影响,发现运动员注意集中. 如一项研究将2及良好的运动表现与左侧颞叶α波功率增加相关联.0名有两年气手枪射击训练经验的运动 员,以配对方式分成左侧颞叶α波神经反馈训练组及控制组,实验组参加8周的脑电生物反馈训练,两组的 记录两组前后测4硏究发现,随着训练次数增加,脑运动任务是10m气手枪射击,0发射击的脑电活动资料. 在前测中,脑电生物反馈组与控制组的成绩及电生物反馈训练组的注意持续维持时间和射击成绩逐渐增加. 脑电活动无差异,后测结果表明,脑电生物反馈组的射击成绩及脑电功率值显著高于控制组,而控制组前后射击成绩及脑波无显著差异.研究者在综合各种观点的基础上提出,脑电生物反馈训练能够有效提升左颞叶区的α波功率,此区α波神经反馈训练增强参与者在动作执行时对左半球的口语认知加工抑制,使操作表现 并促进其大脑网络操作系统回路快速进入动作执行的最佳状态;其次,得以更流畅及自动化方式执行,8周 的脑电生物反馈训练能有效地提升气手枪射击的成绩,可能是因为随着脑电生物反馈训练的不断刺激,逐渐 11]形成神经效率化进而提高任务表现[. 2.3 神经回路连接改变 []脑电生物反馈训练能提高对大脑皮质活动的控制能力,进而提高认知表现.例如,Ener4将参与者分为g 一组以C另一组以C每次训练进行4次各1两组,3的P1作为训练点,4的SMR作为训练点,70s神经反馈训练,每周训练2次,为期5周,总共1结果发现,脑电生物反馈训练后,两组注意力作业的错误率明显0次. 降低,但S而且S两者MR组比P1组在错误率改善方面更为显著,MR组注意力作业得分高于P1组;此外,的前额、顶叶及中央区的P硏究者认为,可能是300波幅明显增加.SMR训练后注意任务的错误率降低, 因此SSMR训练间接强化了下视丘对身体动觉及知觉皮质神经回路系统的控制,MR训练改善了自上而下 的知觉整合能力,提高了神经资源的分配运用,进而影响行为表现. 12],除了上述观点以外,一些研究者还发现,脑电生物反馈训练可提高神经连接的强度[而且大脑刺激频 13]率越高,越能增强神经细胞之间彼此的连接,提高神经网络对信息加工的效能[. 另有研究者指出,脑电生物反馈训练刺激或抑制某一皮质神经活动,能调节大脑神经化学传递物质的分 14]泌活动,并逐渐改善大脑神经系统的调节能力[. 3 小结 综合研究表明,脑电生物反馈技术在唤醒水平控制、情绪自我调节以及认知表现提高中扮演着重要角色,并在临床上有着广泛应用.尽管当前关于脑电生物反馈技术及其神经机制的研究已取得众多有价值的成果,但仍有诸多问题有待解决.未来的研究需要重点考察以下几方面的问题. 首先,从理论研究上应关注以下问题:一是研究方法的进一步改进.当前脑电生物反馈的研究包括横断研究和干预研究两类,相比较而言,横断研究居多,这类研究的局限在于难以做出因果推断.此外,两类研究的样本数量差别较大,特别是对无关变量的控制方法各异,不仅降低了研究结论的可信度,也造成不同研究结果间的分歧.因此,未来研究应通过改进实验设计、扩大研究样本、控制无关因素等进一步提高研究的信度 ·132·   内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版)第44卷 和效度;二是不同生物反馈训练指标的结合.当前随着脑成像技术的迅速发展,基于脑功能的神经反馈指标如功能磁共振和近红外脑光谱成像等技术的血液动力学特征等日益受到重视,如何将上述神经反馈指标和自发脑电的脑波以及传统的心率和呼吸等指标结合起来,发挥更大的研究优势,也值得进一步探讨;三是脑 当前脑电生物反馈训练对于认知和情绪促进的神经机制,存在多种假说.电生物反馈功效的神经机制解释. 尽管各种假设都得到部分研究支持,但还需要进一步的研究验证. 其次,从实践来看,脑电生物反馈已成为大型身心健康的核心,临床上这一技术被广泛用于疼痛控制、焦虑控制、情绪自我调节,或增加放松的支配感等等.在实践过程中,以下几方面问题尤其值得重视:一是不同训练方法的有效配合.在反馈训练过程中,脑电生物反馈常常与放松练习和压力管理课程一起做搭配,参与者同时也会被要求在训练之外,作行为和生活模式的改变,如饮食控制及运动习惯调整等.如何将各种训练有机结合,以达到最佳效果,值得进一步探讨;二是生物反馈训练的针对性.从受训练者的角度来看,不同被试的心理需求和个性特征存在很大差异,如何针对不同的训练目标以及个人的心理特质来制定出个性化的反馈训练方案,以达到最优化效果,有必要进一步思考;三是训练效果的及时评估.从训练周期来看,利用脑电生物反馈技术控制生理活动过程是一个渐进的过程,被试需要了解反馈原理及不同形式反馈信号 并长期系统的练习.但是不同项目和被试的训练周期不尽相同,因此在生物反馈放松达到一定效果的意义, 后,应逐渐摆脱对反馈的依赖,以进一步提高受训练者的心理技能,反之,如果长时间效果不明显,则要认真 找出问题症结,及时采取对策.分析, 参考文献: []]1abiloniC,DelPC,IacoboniM,etal.GolfuttoutcomesareredictedbsensorimotorcerebralEEGrhthms[J. 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