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依托于脑电波的脑功能网络分析法 人类“喜怒哀乐”有望借助脑电波捕捉

2021-03-10 17:07:38来源:科技日报

人脑是自然界最复杂的系统之一,里面存储的信息犹如浩瀚的宇宙星空。而潜藏其间的人的心理情感和生理状态,如喜悦、兴奋、焦虑、抑郁、烦躁、恐惧及睡眠深度、疲劳感知程度等,十分难以得到清晰的把握。近年来,依托于脑电波的脑功能网络分析法,已被用于研究认识大脑各个区域结构或功能连接,为破译大脑情感深层机理和探索内心世界提供了更多线索,成为目前情感识别的重要科研方向。

在国家自然基金支持下,哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院孙金玮教授和他的博士团队曹天傲、王启松等人完成的一项课题“二值情感脑功能网络的全局和节点属性”,今年3月初被收入“2021信号处理传感器与智能系统国际会议论文集”,并由美国电气与电子工程师协会计算机学会结集出版。业内专家评价指出,上述研究深入探讨了不同情感对脑功能网络连接的影响,为人们客观、准确理解“喜怒哀乐”的心理变化夯实了理论基础,今后有望指导开发全新的可穿戴式脑电波情感检测产品,实时捕捉受试者的真情实感,在人机交互、临床医学与潜水、航天等领域具有重要的科研价值和应用前景。

现如今,无论是提升人机交互体验,诊断治疗抑郁症、精神病及其它心理疾病患者,还是监测、识别、评估普通员工或者航天员、飞行员、士兵等特殊人群的情感状态,心理原因所致的情绪或行为的异常受到了越来越高的关注;换句话说,心理健康与否已经对个人的职场生涯及工作安全构成了巨大的挑战。曹天傲博士介绍说,传统的情感分析和识别主要利用表情、语言、肢体动作以及包括血压、心电在内的自主神经系统反射信息加以研判。这些方法的缺陷有很多,如主观色彩较重,不够客观和精确,对于意识较弱或无意识的对象,更是难以进行情感判断。

孙金玮教授解释说:现实中,普通员工需要情感监测,以灵活调整工作强度和进度,而宇航员、飞行员、士兵等特殊群体,由于所处环境及自身心理素质等多种因素,更需要快速准确监测,以免负面情绪酿成意外伤害,甚至悲观厌世带来潜在的重大事故灾难。此外,有的人善于隐藏自己的情感,表现出伪情绪。少数高智商犯罪分子往往能逃过问询及测谎仪等传统手段。不过,虽然语言和面部表情会掩饰,但脑电波不会“说谎”。这是因为情感的变化始终伴随着脑电波的变化及脑信息单元的信息传递方式而变化,不同的情感对应不同的脑电波特征。

曹天傲博士补充说,人类情感常被分解为愉悦度和唤醒度。前者表示个体情绪状态的正负特性,表现为情感的积极或消极程度;后者显示个体的神经生理激活水平,体现为精神兴奋程度。根据此模型,不同程度的愉悦度和唤醒度叠加生成人类的喜怒哀惧。人脑由上百亿个神经细胞组成,是自然界最复杂的系统。为了理解大脑的信息处理单元间是如何相互作用的,“人脑连接组学”的概念由此于2020年被提出,研究脑系统连接的科学则被称作连接组学。作为医学影像技术学新名词,脑连接组学的意思是采用多模态神经影像技术和网络分析方法,描绘活体人脑的结构和功能连接模式的学科。

事实上,人们在生活中也能接触到许多这样复杂的系统,比如常见的电力网络、航空网络、社交网络等。孙金玮教授指出,复杂网络不仅是一种数据的表现形式,同样也是有力的科研手段,比如借助复杂网络分析,就很容易查到电网中的脆弱线路。而在目前的情感分析中,人们已经利用能更直接反映脑功能活动信息的脑电波,对大脑各个区域的结构或功能连接展开探查,进行情感识别,并在包括精神分裂症、阿尔茨海默症及抑郁症等疾病的病理理解中有了新进展。

曹天傲介绍说,脑功能是由大脑神经元间相互作用涌现出的复杂模式,具体则是多个脑区在不同的时间-空间尺度上相互连接形成的复杂网络。对这些复杂脑网络的分析采用的是图论的方法。图论是数学的一个分支,其中的“图”就是网络。网络由节点和边作为组成元素,节点是网络研究对象中的个体,边是以某个标准得到的个体间的联系,节点间联系的标准根据研究内容的不同而不同。依据边有无权重可分为二值网络和有权网络,按照边的定义可分为相关性网络和同步性网络。采集并分析不同脑区空间的脑电信号,研究其时间上的相关性和同步关系,建立不同情绪状态下的功能脑网络的拓扑结构,现已逐渐发展为情绪识别的重要手段。

孙金玮团队则是选取了常用的二值脑功能网络,分别基于相关性和相位同步性构建脑网络,节点直接选取头皮电极。他们首先深入观察了不同情感下的网络整体特性,将不同网络构建方法所得结果进行比对,发现不同定义的脑功能网络在全局属性变化具有共同的特点;在接下来的节点属性分析中,发现脑功能网络的节点属性能够反映情感的变化。具体说来,高愉悦度可增强脑信息传输,促进脑功能的分化和整合;但在情绪较高时,网络整体信息处理效率有可能变低。研究表明,情感对脑功能网络的影响在阿尔法波段比较突出。

专家评价指出,上述理工医相结合的科研成果丰富了脑网络分析法,为情绪监测提供了一种客观有效的评价技术,有助于推动解决复杂模式的认知研究。医生可以准确判断抑郁症患者的愉悦兴奋状态,并制定最佳治疗方案。普通员工的情感被获知后,后续工作方案可以灵活修正,保证效益最大化。而宇航员、飞行员等特殊人群的情绪波动如能被实时监测,就能得到及时的心理疏导和调理,以更积极稳健的心态迎接未知的挑战。

业内人士认为,随着社会的进步和科技事业的发展,可穿戴便携式脑电波情感检测产品有望被成功开发出来,普及市场,方便大众。此类设备可植入耳机耳麦等通用产品,并通过蓝牙等无线传输方式将情感数据显示在手机APP或者电脑上,便于观测。无论普通人还是特殊人群,均可利用这样的装置监测自身情感状态,以便实时调整,让公众的身心健康多一重保障。(通讯员 衣晓峰 记者 李丽云)

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