[S20_Brain] Post#1 資工碩一 408226242 黃秋燕

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「讀你的腦」– 腦波量測新技術在人類認知、學習及生活上的應用

 

  近年來,隨著大腦的研究知識成果越來越成熟,其相關討論也越來越熱門。特別是在教育領域,教育工作者想更了解大腦的運作模式,希望以此能設計出更符合人們大腦運作模式的教學及學習方法、教材。在認知神經科學領域中,有許多儀器能幫助研究者了解人的大腦活動狀態,腦波儀即是其中之一,它能夠監測人大腦的心智運作狀態變化,可說是能以儀器解讀出人沒有用話語表達出來的心思運作。本文將介紹傳統的腦波測量原理以及新興開發的腦波儀技術在學習、認知能力的訓練及其在生活上的應用。

 

  人類的大腦由許多神經細胞組成,當大腦進行心智運作時,構成大腦的神經細胞會不斷放電。成千上萬的神經細胞一起放電的結果,就可以讓科學家在人類頭皮上測得微弱的電波或磁波變化,此即是腦波測量的原理。偵測腦神經細胞活動用的是神經電生理的方法,此法可量測到人類大腦在不同狀態下的腦神經細胞的電位活動變化,以波型圖呈現,即稱為腦電波圖(EEG)。人類腦波研究的歷史可追溯到1929年,當時德國生理學家Hans Berger首次在人類的頭蓋骨上記錄到電波活動,他記錄、測量了人腦中微小的放電過程,發表了人類史上第一次的腦波記錄,命名為「腦電波圖」(electroencephalogram,簡稱EEG、腦電圖)。

 

  傳統的腦波量測是把各個腦細胞所發生的電位變化,藉著放在頭皮上或直接放在大腦皮質的電極收集,經過增幅器放大訊號後記錄下來。由於腦波和人類的意識活動有關係,因此許多研究者都很感興趣,希望藉由腦波和大腦意識的相對應關係,透過測量腦波來推測大腦的狀態。像是在醫學領域,研究者會研究憂鬱症、阿茲海默症患者睡眠時的腦波,針對患者進行長期記錄,了解其和未患病者的腦波有何不同,以進一步研究病理和病因。

 

  傳統的腦波量測時,受試者需要戴上專屬的頭套(如下圖1),以蒐集訊號。頭套內有多個電極片接觸頭皮,並且頭皮上需塗上濕黏的導電膠,以增進訊號蒐集效果,此外,施測地點也必須在特定、無干擾的環境下施測。近來,已有業者開發出新的腦波測量儀器,這項新的儀器改良了傳統測量時須塗導電膠,在特殊環境下測量的限制,人們只要戴上一款造型如同耳機的腦波儀(如下圖2),便能透過此裝置測量到人們的腦波狀態,但目前技術上,能偵測到的大腦活動主要是專注力、情緒激起、放鬆度的狀態。

​圖1.傳統的腦波儀頭套–來源:數位典藏與學習電子

 圖2.耳機腦波儀–來源:數位典藏與學習電子

  這項新的技術,目前在許多種領域都已有所應用。在教學方面,若應用於語文、數學等數位學習教材的學習,耳機腦波儀可以應用於監測學生學習時的專注力水平,並由此可探討教材的設計型式是否可吸引學生專注學習。用在腦力訓練方面,可搭配軟體使用,記錄使用者的大腦專注及放鬆程度,透過螢幕畫面直觀的呈現使用者目前的專注及放鬆程度,而讓使用者學習到如何掌握及訓練自己大腦的專注及放鬆。也有業者將耳機腦波儀運用在LED光球上,透過光球的顏色變化可以顯示人當下放鬆的狀態(如下圖3)。

圖3.耳機腦波儀結合LED光球的應用:隨著光球的顏色變化,能測知人的放鬆程度
–來源:數位典藏與學習電子

  因此可用這個光球來訓練孩童放鬆,是一個對老師來說簡單易用的輔導工具。而在遊戲學習方面,透過編寫與專注力有關的遊戲程式,配合耳機腦波儀的使用,讓使用者與遊戲軟體作互動,再透過遊戲的反饋功能,讓使用者學習專注,以提高專注力。目前業者在注意力監測的開發上,已設計出幾款玩具,號稱玩家可透過念力(即是腦波)來操控一些物件,例如:使一顆小球飛起或落下,這些玩具除具娛樂性外,也有訓練注意力集中的功能(如下圖4)。

圖4.業者開發出利用「念力」操控小球的遊戲–來源:數位典藏與學習電子

  另外,在運動領域,由於運動員的大腦狀態對於他們的表現有重要的影響。透過這個耳機腦波儀可以量化大腦的狀態,有助於訓練運動員找到最適合比賽的大腦狀態。而在娛樂方面,此儀器若與電視作結合,不久的未來可望開發出人只要動腦而不動手,就能與電視作互動的操控裝置。最近,耳機腦波儀也應用在電影與觀賞者之間的互動,根據人的大腦狀態,就能改變電影的情節和結局,為電影設計增添更多的想像空間。

 

  由上述可知,特別是在教育領域方面,新的腦波儀技術已能便利的應用在學習場域中,在注意力的監測及訓練方法上,提供教師及學習者一項新的選擇。未來,新的腦波量測技術發展若越趨成熟,對於人腦思考狀態與腦波對應關係的了解若更明確,腦波量測應用到教育及生活領域的範圍會更廣泛。若能偵測到大腦的其他運作功能,例如:記憶力等…,對於學習教材的開發可提供更新的發展。在生活方面,以念力控制、操控介面的滑鼠可望產生。又像是目前已在討論的熱門議題,例如在醫療方面,若能將偵測到病患的腦波轉化為具體指令,便能讓具多重障礙的病人靠著腦波來控制義肢和輪椅。將來若更進一步,科學家有一天更具體的發明出讀腦機,能「駭入」人腦,把偵測到的腦波圖轉換成人想表達的文字或句子,便能讓失去表達能力的病患也能與外界溝通,這項新發明想必能對病友帶來許多助益也勢必會對人類生活產生重要的影響。

 

參考資料

數位典藏與學習電子

iPhone新應用腦波探測器可讓用戶意念控物

Mindo腦波帽