起初，这个电脑游戏对于一个八岁的孩子来说似乎非常简单——就像 20 世纪 80 年代街机游戏的石器时代产物。 红色三角形“箭头”出现在显示器的蓝色屏幕上，然后一架卡通飞机的机头从左侧滑入视野。 如果箭头指向上方，本必须让飞机爬升。 当他成功时，一个尖尖的黄色太阳会发出光芒。
仔细一看就会发现，一切并非看起来那么简单。 首先，本没有操纵杆。 相反，粘在男孩脸部和他头发下皮肤上的几个电极让他仅凭思想就能驾驶飞机。
本正在参与一项实验。 重点是利用神经反馈——一种基于脑电图 (EEG) 的训练工具，脑电图是测量伴随任何大脑活动的电位变化的。 电极传导大脑信号，然后由计算机程序处理并输入到游戏中。 因此，飞机的运动向本揭示了他脑海中刚刚发生的事情。 德国蒂宾根大学医学心理学和行为神经生物学研究所的心理学家乌尔里克·莱因斯解释说：“通过反馈，孩子们应该学会刻意控制他们大脑活动的某些参数。”
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这种“读心术”提供了许多可能的应用。 例如，它使“闭锁综合征”患者（无法说话或做手势）能够与护理人员沟通 [参见尼古拉·诺伊曼和尼尔斯·比尔鲍默的《大声思考》；《大众科学·思想》，首刊，第 14 卷，第 5 期，2004 年]。 通过控制他们的大脑电波，患者可以在电脑屏幕上操作字母和单词。 神经反馈训练也可能使癫痫、注意力缺陷、抑郁症和其他使人衰弱的精神障碍患者受益。 这种实验性疗法，也称为脑电生物反馈，甚至可能有助于激活健康的大脑，提高认知能力。
从生物反馈到神经反馈
这项技术是对生物反馈的高科技改进——生物反馈是一种长期用于治疗与压力相关的疾病的方法。 在生物反馈中，人们看到或听到可以指示压力的生理测量值，例如血压升高、心率加快或肌肉紧张。 从监测设备接收此类信息使得通常无法检测到的身体功能可以进行有意识的调节。 例如，一个人可以从倾听自己加速的脉搏中意识到自己处于紧张状态，然后学会有意识地降低心率。
大脑电波可以被有意改变的第一个线索出现在大约四十年前。 在 20 世纪 60 年代后期，睡眠研究员 M. Barry Sterman 在追踪猫的脑电图时学到了一些有趣的东西。 他在大脑中称为感觉运动皮层的一部分发现了一种以前未知的脑电波模式，其频率在 12 到 15 赫兹 (Hz) 或每秒周期之间。 Sterman，现任加州大学洛杉矶分校荣誉退休教授，将这种模式称为感觉运动节律或 SMR。 他了解到，SMR 总是存在于放松和清醒的猫科动物中。 当他在那些时刻用零食奖励这些动物时，它们开始产生更强的 SMR。 通过这个条件反射实验，Sterman 证明了故意改变自己的脑电波是可能的。
研究人员很可能没有跟进这一发现。 但几乎在同一时间，他收到了美国空军的请求，空军希望他测试暴露于甲基肼（一种用于某些火箭燃料中且已知会引起癫痫发作的物质）的潜在认知影响。 Sterman 将这种化学物质注射到猫体内。 大约一小时后，它们中的大多数都癫痫发作了。 然而，在少数受试者中，癫痫发作的 onset 比平时晚得多； 另有三只完全避免了抽搐。 为了寻求对这种抵抗力的解答，Sterman 检查了他的实验方案。 他观察到，有抵抗力的猫有一个共同点：它们之前都参与了他的条件反射测试。 它们控制 SMR 波的能力是否可能是一个因素？
Sterman 在进一步的实验中继续研究这个问题。 在 20 世纪 70 年代初期，他发现迹象表明，癫痫患者如果学会提高 SMR 水平，也可以降低癫痫发作的风险。 然而，由于缺乏深入研究，这个想法仍然存在争议。
大脑控制
在 Sterman 最初对 SMR 进行研究 30 多年后，科学家们正在探索如何使用神经反馈来治疗各种疾病。 除了 SMR 之外，其他不同频率的脑电波也表征着某些精神状态 [参见第 63 页的插图]。 例如，在深度睡眠中，频率高达 4 Hz 且振幅高的 delta 波占主导地位。 频率约为 10 Hz 的 alpha 波存在于放松但清醒的大脑中； 例如，当我们闭上眼睛躺下时，它们就会出现。 如果我们随后开始专注于某事，则频率大于 13 Hz 的 beta 波会穿过皮层。 当大脑放松时，会出现低频 theta 波。 Theta 波具有高振幅，频率介于 delta 波和 alpha 波之间，通常出现在成人的浅睡眠和冥想期间。
无论频率如何，都没有学习如何利用自己脑电波的灵丹妙药。 “每个受试者都必须通过反复试验来发现自己独特的策略，”Leins 解释说。 为了增加大脑活动（使视频飞机向上转向），蒂宾根实验中的许多孩子说他们会想到一些令人兴奋的事情——比如从跳板上跳下来。 本想象他正在树林里露营过夜。 如果方向箭头指向下方，男孩会试图平静他的大脑以使飞机下降； 在他的思绪中，他躺在床上小睡。
在蒂宾根，从事癫痫治疗的研究人员正在研究脑电图的另一个组成部分，称为慢皮层电位或 SCP。 这些脑电波可以指示皮层中的活动。 检测它们很有用，因为癫痫发作始于皮层神经元的过度兴奋，通常在非常有限的区域，大脑活动从该区域不受控制地扩散。 患者的 SCP 在癫痫发作前会向电负方向移动。 这种负慢电位也正常出现在大脑中。 因此，神经反馈的目标是让患者认识到这种电负性的 onset，然后将其 SCP 推向正方向。 患者学会自觉地限制大脑活动，从而抑制癫痫发作。
这种方法似乎很有希望。 在 2001 年的一项研究中，尼尔斯·比尔鲍默和他在蒂宾根的同事与传统医疗疗法无济于事的癫痫患者合作。 平均而言，使用 SCP 神经反馈的患者能够将癫痫发作次数减少三分之一。 积极效果在训练结束后持续了很长时间。
脑力锻炼
Beta 波是治疗儿童注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 的目标。 “正是这些高频脑电波在 ADHD 儿童中比健康儿童弱，”Leins 指出。 根据应用心理生理学和生物反馈协会的数据，在美国，有 700 多个团体正在使用脑电生物反馈来治疗 ADHD。
患有 ADHD 的儿童在学业和社交技能方面挣扎，因为他们躁动不安、冲动且难以集中注意力。 高频脑电波水平降低在与注意力控制有关的前额叶皮层中尤其明显。 孩子们的低频波，尤其是 4 到 7.5 Hz 的 theta 波也增加。 Leins 说，通过神经反馈，“我们的 ADHD 受试者训练他们的大脑产生更少的 theta 波，从而产生更多的 beta 波。”
今天，本完成了 45 次“命中”——即他成功随意提升或降低大脑活动的次数。 他获得了一张礼品卡上的五分，然后他可以自由离开了。 然而，他今天的脑力锻炼还没有结束。 本已被告知在日常生活中也要练习大脑控制。 例如，在开始做作业之前，他要先想象投进几个篮筐。 以这种方式启动大脑似乎有助于像本这样的孩子集中注意力。 “许多孩子说，之后他们可以更好地集中注意力，更快地完成作业，”Leins 说。
蒂宾根实验中的儿童训练 30 小时。 研究人员在使用专门用于监测注意力的标准化测试后，立即测量他们在治疗前后的认知表现。 治疗六个月后，再次对他们进行检查。 在神经反馈治疗后，受试者在注意力和智力评估中表现更好。 老师们报告说，他们在课堂上更安静，更少冲动。 许多家长也表示，他们的孩子在做作业时遇到的问题更少。 Leins 认为这些结果是积极的，但不是决定性的。 “我们仍然缺乏对许多儿童的对照研究，这些研究会将这种技术与其他治疗方法进行比较，”研究人员说。
平衡之术
许多精神疾病都伴随着异常的脑电波模式，这一事实为神经反馈提供了另一种可能的治疗应用。 这些变异是这些疾病的原因还是结果，这一点并不总是清楚。 至少，这些不常见模式的存在可能会阻碍康复。 例如，在 20 世纪 90 年代初期，威斯康星大学麦迪逊分校心理学和精神病学教授理查德·J·戴维森注意到抑郁症患者的脑电波模式中存在异常的不对称性。 显然，左右半球前部之间 alpha 活动的分布可能与情绪有关。 在抑郁症受试者中，钟摆向右摆动； 他们的左半球相对不活跃。
考虑到这一点，西北大学的心理学家 J. Peter Rosenfeld 正在尝试使用神经反馈来缓解抑郁症。 Rosenfeld 认为，如果患者能够纠正自己的脑电波模式，他们或许能够摆脱心中的阴霾。 因此，他和伊利诺伊州埃文斯顿 NeuroQuest 神经反馈中心的心理学家 Elsa Baehr 和 Rufus Baehr 在 20 世纪 90 年代中期开发了一个神经反馈训练计划。 每当左额叶皮层中 alpha 波的振幅高于右侧时，参与者就会听到单簧管演奏的悦耳音符。 在持续 15 到 30 分钟的疗程中，受试者努力学习如何让音调在他们的耳朵中停留越来越长的时间。
一个引人注目的案例涉及一位女性，她之前曾因复发性抑郁症接受治疗 12 年，但没有成功。 在仅接受 35 小时的训练后，结合心理疗法，她的症状显着减轻。 在随后的六年跟踪期内，她一直没有抑郁症。 尽管科学家们也可以指出脑电图反馈在其他抑郁症患者中取得的成功，但 Elsa Baehr 敦促谨慎。 “这是一个实验性方案，”她指出。 “在进行对照研究之前，我们不会知道这种疗法的效果如何。”
提升大脑能力？
除了疗法之外，神经反馈能否提高健康大脑的认知能力？ 例如，美国宇航局多年来一直使用脑电生物反馈来提高飞行员的注意力。
为了了解更多信息，现任英国坎特伯雷基督教会大学的心理学家大卫·弗农邀请了 40 名志愿者来到他的实验室。 他和其他人想 выяснить 故意影响某些脑电波模式是否可以提高工作记忆——工作记忆暂时存储和管理执行复杂认知任务（如学习或推理）所需的信息。 他首先向受试者展示了一个单词列表。 然后他给他们一个类别，例如“动物”，并要求他们回忆列表中尽可能多的符合该分组的单词。
在训练之前，参与者只能记住 71% 的单词。 在八次疗程中，他们学会了加强他们的 SMR——与 Sterman 研究的模式相同。 训练结束后，弗农再次测试了他的受试者，这次他们可以记住将近 82% 的单词。 弗农的研究小组于 2003 年 1 月公布了结果。 弗农声称：“在这里，我们首次获得了神经反馈与记忆力提高之间存在联系的证据。”
2003 年在伦敦帝国理工学院发表的一项研究支持了脑电波训练可以提高认知能力的观点。 神经科学家 Tobias Egner（现任哥伦比亚大学）和 John H. Gruzelier 在伦敦皇家音乐学院（伦敦著名的青年音乐家精英学校）招募了测试对象。 一些受试者通过电脑屏幕上的反馈，学会了如何控制 alpha 和 theta 范围内的慢波。 据专家评估，神经反馈后，音乐家的能力得到了极大的提高。 改进体现在音乐理解、风格精确性和富有想象力的诠释等各个方面。 更重要的是，学生们犯的错误明显减少了。
如果进一步的实验证实了这些结果，神经反馈可能会提供一系列应用。 例如，Gruzelier 正在考虑如何使用 SMR 强化来训练那些职业需要异常稳定手的人，例如眼科医生。