不同情感對應(yīng)不同腦電波 人類“喜怒哀樂”有望借助腦電波捕捉

人腦是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，里面存儲的信息猶如浩瀚的宇宙星空。而潛藏其間的人的心理情感和生理狀態(tài)，如喜悅、興奮、焦慮、抑郁、煩躁、恐懼及睡眠深度、疲勞感知程度等，十分難以得到清晰的把握。近年來，依托于腦電波的腦功能網(wǎng)絡(luò)分析法，已被用于研究認(rèn)識大腦各個區(qū)域結(jié)構(gòu)或功能連接，為破譯大腦情感深層機(jī)理和探索內(nèi)心世界提供了更多線索，成為目前情感識別的重要科研方向。

在國家自然基金支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院孫金瑋教授和他的博士團(tuán)隊(duì)曹天傲、王啟松等人完成的一項(xiàng)課題“二值情感腦功能網(wǎng)絡(luò)的全局和節(jié)點(diǎn)屬性”，今年3月初被收入“2021信號處理傳感器與智能系統(tǒng)國際會議論文集”，并由美國電氣與電子工程師協(xié)會計算機(jī)學(xué)會結(jié)集出版。業(yè)內(nèi)專家評價指出，上述研究深入探討了不同情感對腦功能網(wǎng)絡(luò)連接的影響，為人們客觀、準(zhǔn)確理解“喜怒哀樂”的心理變化夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，今后有望指導(dǎo)開發(fā)全新的可穿戴式腦電波情感檢測產(chǎn)品，實(shí)時捕捉受試者的真情實(shí)感，在人機(jī)交互、臨床醫(yī)學(xué)與潛水、航天等領(lǐng)域具有重要的科研價值和應(yīng)用前景。

現(xiàn)如今，無論是提升人機(jī)交互體驗(yàn)，診斷治療抑郁癥、精神病及其它心理疾病患者，還是監(jiān)測、識別、評估普通員工或者航天員、飛行員、士兵等特殊人群的情感狀態(tài)，心理原因所致的情緒或行為的異常受到了越來越高的關(guān)注;換句話說，心理健康與否已經(jīng)對個人的職場生涯及工作安全構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。曹天傲博士介紹說，傳統(tǒng)的情感分析和識別主要利用表情、語言、肢體動作以及包括血壓、心電在內(nèi)的自主神經(jīng)系統(tǒng)反射信息加以研判。這些方法的缺陷有很多，如主觀色彩較重，不夠客觀和精確，對于意識較弱或無意識的對象，更是難以進(jìn)行情感判斷。

孫金瑋教授解釋說：現(xiàn)實(shí)中，普通員工需要情感監(jiān)測，以靈活調(diào)整工作強(qiáng)度和進(jìn)度，而宇航員、飛行員、士兵等特殊群體，由于所處環(huán)境及自身心理素質(zhì)等多種因素，更需要快速準(zhǔn)確監(jiān)測，以免負(fù)面情緒釀成意外傷害，甚至悲觀厭世帶來潛在的重大事故災(zāi)難。此外，有的人善于隱藏自己的情感，表現(xiàn)出偽情緒。少數(shù)高智商犯罪分子往往能逃過問詢及測謊儀等傳統(tǒng)手段。不過，雖然語言和面部表情會掩飾，但腦電波不會“說謊”。這是因?yàn)榍楦械淖兓冀K伴隨著腦電波的變化及腦信息單元的信息傳遞方式而變化，不同的情感對應(yīng)不同的腦電波特征。

曹天傲博士補(bǔ)充說，人類情感常被分解為愉悅度和喚醒度。前者表示個體情緒狀態(tài)的正負(fù)特性，表現(xiàn)為情感的積極或消極程度;后者顯示個體的神經(jīng)生理激活水平，體現(xiàn)為精神興奮程度。根據(jù)此模型，不同程度的愉悅度和喚醒度疊加生成人類的喜怒哀懼。人腦由上百億個神經(jīng)細(xì)胞組成，是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)。為了理解大腦的信息處理單元間是如何相互作用的，“人腦連接組學(xué)”的概念由此于2020年被提出，研究腦系統(tǒng)連接的科學(xué)則被稱作連接組學(xué)。作為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)新名詞，腦連接組學(xué)的意思是采用多模態(tài)神經(jīng)影像技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)分析方法，描繪活體人腦的結(jié)構(gòu)和功能連接模式的學(xué)科。

事實(shí)上，人們在生活中也能接觸到許多這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，比如常見的電力網(wǎng)絡(luò)、航空網(wǎng)絡(luò)、社交網(wǎng)絡(luò)等。孫金瑋教授指出，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)不僅是一種數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，同樣也是有力的科研手段，比如借助復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析，就很容易查到電網(wǎng)中的脆弱線路。而在目前的情感分析中，人們已經(jīng)利用能更直接反映腦功能活動信息的腦電波，對大腦各個區(qū)域的結(jié)構(gòu)或功能連接展開探查，進(jìn)行情感識別，并在包括精神分裂癥、阿爾茨海默癥及抑郁癥等疾病的病理理解中有了新進(jìn)展。

曹天傲介紹說，腦功能是由大腦神經(jīng)元間相互作用涌現(xiàn)出的復(fù)雜模式，具體則是多個腦區(qū)在不同的時間-空間尺度上相互連接形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。對這些復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)的分析采用的是圖論的方法。圖論是數(shù)學(xué)的一個分支，其中的“圖”就是網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和邊作為組成元素，節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)研究對象中的個體，邊是以某個標(biāo)準(zhǔn)得到的個體間的聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)間聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)研究內(nèi)容的不同而不同。依據(jù)邊有無權(quán)重可分為二值網(wǎng)絡(luò)和有權(quán)網(wǎng)絡(luò)，按照邊的定義可分為相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)和同步性網(wǎng)絡(luò)。采集并分析不同腦區(qū)空間的腦電信號，研究其時間上的相關(guān)性和同步關(guān)系，建立不同情緒狀態(tài)下的功能腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)已逐漸發(fā)展為情緒識別的重要手段。

孫金瑋團(tuán)隊(duì)則是選取了常用的二值腦功能網(wǎng)絡(luò)，分別基于相關(guān)性和相位同步性構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)直接選取頭皮電極。他們首先深入觀察了不同情感下的網(wǎng)絡(luò)整體特性，將不同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法所得結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)不同定義的腦功能網(wǎng)絡(luò)在全局屬性變化具有共同的特點(diǎn);在接下來的節(jié)點(diǎn)屬性分析中，發(fā)現(xiàn)腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)屬性能夠反映情感的變化。具體說來，高愉悅度可增強(qiáng)腦信息傳輸，促進(jìn)腦功能的分化和整合;但在情緒較高時，網(wǎng)絡(luò)整體信息處理效率有可能變低。研究表明，情感對腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響在阿爾法波段比較突出。

專家評價指出，上述理工醫(yī)相結(jié)合的科研成果豐富了腦網(wǎng)絡(luò)分析法，為情緒監(jiān)測提供了一種客觀有效的評價技術(shù)，有助于推動解決復(fù)雜模式的認(rèn)知研究。醫(yī)生可以準(zhǔn)確判斷抑郁癥患者的愉悅興奮狀態(tài)，并制定最佳治療方案。普通員工的情感被獲知后，后續(xù)工作方案可以靈活修正，保證效益最大化。而宇航員、飛行員等特殊人群的情緒波動如能被實(shí)時監(jiān)測，就能得到及時的心理疏導(dǎo)和調(diào)理，以更積極穩(wěn)健的心態(tài)迎接未知的挑戰(zhàn)。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，隨著社會的進(jìn)步和科技事業(yè)的發(fā)展，可穿戴便攜式腦電波情感檢測產(chǎn)品有望被成功開發(fā)出來，普及市場，方便大眾。此類設(shè)備可植入耳機(jī)耳麥等通用產(chǎn)品，并通過藍(lán)牙等無線傳輸方式將情感數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP或者電腦上，便于觀測。無論普通人還是特殊人群，均可利用這樣的裝置監(jiān)測自身情感狀態(tài)，以便實(shí)時調(diào)整，讓公眾的身心健康多一重保障。