不同情感對應不同腦電波 人類“喜怒哀樂”有望借助腦電波捕捉

人腦是自然界最復雜的系統之一，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，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絡分析法，已被用于研究認識大腦各個區域結構或功能連接，為破譯大腦情感深層機理和探索內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，哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院孫金瑋教授和他的博士團隊曹天傲、王啟松等人完成的一項課題“二值情感腦功能網絡的全局和節點屬性”，今年3月初被收入“2021信號處理傳感器與智能系統國際會議論文集”，并由美國電氣與電子工程師協會計算機學會結集出版。業內專家評價指出，上述研究深入探討了不同情感對腦功能網絡連接的影響，為人們客觀、準確理解“喜怒哀樂”的心理變化夯實了理論基礎，今后有望指導開發全新的可穿戴式腦電波情感檢測產品，實時捕捉受試者的真情實感，在人機交互、臨床醫學與潛水、航天等領域具有重要的科研價值和應用前景。

現如今，無論是提升人機交互體驗，診斷治療抑郁癥、精神病及其它心理疾病患者，還是監測、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，心理原因所致的情緒或行為的異常受到了越來越高的關注;換句話說，心理健康與否已經對個人的職場生涯及工作安全構成了巨大的挑戰。曹天傲博士介紹說，傳統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、心電在內的自主神經系統反射信息加以研判。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，更是難以進行情感判斷。

孫金瑋教授解釋說：現實中，普通員工需要情感監測，以靈活調整工作強度和進度，而宇航員、飛行員、士兵等特殊群體，由于所處環境及自身心理素質等多種因素，更需要快速準確監測，以免負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難。此外，有的人善于隱藏自己的情感，表現出偽情緒。少數高智商犯罪分子往往能逃過問詢及測謊儀等傳統手段。不過，雖然語言和面部表情會掩飾，但腦電波不會“說謊”。這是因為情感的變化始終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，不同的情感對應不同的腦電波特征。

曹天傲博士補充說，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的正負特性，表現為情感的積極或消極程度;后者顯示個體的神經生理激活水平，體現為精神興奮程度。根據此模型，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細胞組成，是自然界最復雜的系統。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”的概念由此于2020年被提出，研究腦系統連接的科學則被稱作連接組學。作為醫學影像技術學新名詞，腦連接組學的意思是采用多模態神經影像技術和網絡分析方法，描繪活體人腦的結構和功能連接模式的學科。

事實上，人們在生活中也能接觸到許多這樣復雜的系統，比如常見的電力網絡、航空網絡、社交網絡等。孫金瑋教授指出，復雜網絡不僅是一種數據的表現形式，同樣也是有力的科研手段，比如借助復雜網絡分析，就很容易查到電網中的脆弱線路。而在目前的情感分析中，人們已經利用能更直接反映腦功能活動信息的腦電波，對大腦各個區域的結構或功能連接展開探查，進行情感識別，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展。

曹天傲介紹說，腦功能是由大腦神經元間相互作用涌現出的復雜模式，具體則是多個腦區在不同的時間-空間尺度上相互連接形成的復雜網絡。對這些復雜腦網絡的分析采用的是圖論的方法。圖論是數學的一個分支，其中的“圖”就是網絡。網絡由節點和邊作為組成元素，節點是網絡研究對象中的個體，邊是以某個標準得到的個體間的聯系，節點間聯系的標準根據研究內容的不同而不同。依據邊有無權重可分為二值網絡和有權網絡，按照邊的定義可分為相關性網絡和同步性網絡。采集并分析不同腦區空間的腦電信號，研究其時間上的相關性和同步關系，建立不同情緒狀態下的功能腦網絡的拓撲結構，現已逐漸發展為情緒識別的重要手段。

孫金瑋團隊則是選取了常用的二值腦功能網絡，分別基于相關性和相位同步性構建腦網絡，節點直接選取頭皮電極。他們首先深入觀察了不同情感下的網絡整體特性，將不同網絡構建方法所得結果進行比對，發現不同定義的腦功能網絡在全局屬性變化具有共同的特點;在接下來的節點屬性分析中，發現腦功能網絡的節點屬性能夠反映情感的變化。具體說來，高愉悅度可增強腦信息傳輸，促進腦功能的分化和整合;但在情緒較高時，網絡整體信息處理效率有可能變低。研究表明，情感對腦功能網絡的影響在阿爾法波段比較突出。

專家評價指出，上述理工醫相結合的科研成果豐富了腦網絡分析法，為情緒監測提供了一種客觀有效的評價技術，有助于推動解決復雜模式的認知研究。醫生可以準確判斷抑郁癥患者的愉悅興奮狀態，并制定最佳治療方案。普通員工的情感被獲知后，后續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時監測，就能得到及時的心理疏導和調理，以更積極穩健的心態迎接未知的挑戰。

業內人士認為，隨著社會的進步和科技事業的發展，可穿戴便攜式腦電波情感檢測產品有望被成功開發出來，普及市場，方便大眾。此類設備可植入耳機耳麥等通用產品，并通過藍牙等無線傳輸方式將情感數據顯示在手機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測自身情感狀態，以便實時調整，讓公眾的身心健康多一重保障。