注意力渙散怎麼辦？神經反饋來幫忙！

大家新年好！

俗話說，早起的鳥兒有蟲吃。那早發新年特刊的欄主會不會收到很多贊呢？

づ(?ω?)づ

（唔，其實我是想強行打出劉看山這手勢來的...... 不過貌似差得略多）

此圖為知乎吉祥物一隻，我本家，你們懂的 ╮(╯◇╰)╭

好啦，話說插科打諢專業賣萌什麼的好像我真心不擅長，那就直接上乾貨滿滿的這一篇作為專欄的新年禮物吧。請注意，你們要的關於注意的最新研究進展——如何利用神經反饋"治療"注意力渙散（話說這句話里怎麼這麼多注意啊）！！！

高能預警，非專業人士建議只看到第二部分結束，明白神經反饋對提高注意力有很好的效果就可以了。文中提到的神經反饋目前主要還在基礎研究階段，預感之後在臨床和商業可能會有一些很有意思應用，敬請關注。

註：本文系加州大學戴維斯分校博士後研究員@Yuelu所著，@This Is Not Tina親自約稿（畫外音：其實約了好久呢大家造么）。

作者本人近年來在視覺注意領域發表論文的數量和質量都令人仰為觀止，然而謙遜如他，說自己第一次受邀寫知乎也不習慣中文科普，有些專業新名詞只能儘力翻譯了，希望大家喜歡。

（悄悄說一句，本文有引用有他的一篇大作呢，不知大家能否找到，哈哈哈我又愉快地劇透了 (⊙?⊙)

------------------------------

一、有限的注意力

相信大家都有過這樣的經歷：明明要找的東西就在眼前，卻依舊花費相當的時間和精力才找到。更有甚者，一些十分顯眼的東西也可能常常被我們「視而不見」。廣大司機朋友們對此一定深有體會。在繁忙的城市街道上開車，即便是小心謹慎也難免時常遇到一些意外狀況，比如"無視"了那碩大的紅燈或者闖入街道的行人-（呵呵~這可不是鬧著玩兒的）。這些現象都涉及到人類認知中的一個經典的局限性：有限的注意力（limitednattention）。也就是說人們在同一時間能注意的事物是有限的（對大部分人來說這個數目僅有2到3個）。假設我們已經同時在注意3件事物，當我們試圖讓第4件事物也被注意時，那麼第4件事物就會成為注意的中心，而在前三件事物上的注意力則會減退。

什麼？童鞋們不相信自己只能同時注意2到3個東東？那麼我想先請各位看一個短片：TEST YOUR BRAIN（Tina亂入：唔，原來這才是小偷的正確打開方式，學習了......）在這個片段中著名神偷ApollonRobbins將要在一名路人身上當面偷取4樣東西，片中那位可憐的路人被搜刮一空還不自知。可問題是：各位看官你們都捕捉到Apollo偷東西的瞬間了么？事實證明即使我們盯著Apollo的每一個動作仔細看，我們依然可能會漏掉一兩個偷竊瞬間。這是因為Apollo巧妙的將我們的注意力給引開了，從而讓他在眾目睽睽之下有機可乘。

哪尼！你們全都看出來了？那我們再來看看下面這個短片：Test Your Awareness -- How many changes did u notice?。在這則短片中，製作組故意在偵探逐個審問嫌犯的過程中篡改了場景中多達21處細節。當然篡改的過程在第一遍播放時是沒有被拍出來的。然而令人驚奇的是，有相當一部分人在第一遍觀看時甚至連一處改動都無法看出來。不過話說要看出這個篇子中所有的破綻確實很難，因為其不光涉及到注意力的有限性，更要命的是視覺工作記憶（visualnworking memory）的有限性。看完這個片兒，各位信了么？如果哪位能夠看出全部的破綻，那恭喜，您是神人！

Test Your Awareness -- How many changes did u notice? （視頻來源：優酷）

二、神經反饋提高注意力

說了一大堆駭人聽聞的有關注意力局限性的問題，下面回到童鞋們最關心的問題：有沒有辦法能夠提高注意集中的能力並且打破注意局限性這道魔障？目前比較廣泛運用的方法之一是通過各種形式的認知訓練（cognitiventraining）來提高綜合認知水平。例如認知訓練被運用在治療早期阿爾茨海默症（Alzheimer』sndisease）以延緩病程的發展。然而現有的科學證據貌似無法充分證實認知訓練在治療老年痴呆中的有效性。例如，AlexnBahar-Fuchs等學者於2013年在Alzheimer』snResearch & Therapy期刊上發表綜述文章對11篇已發表文章的結果進行了定量分析，卻未能發現認知訓練能夠對早期阿爾茨海默症患者帶來幫助（當然我們並非此領域的專家，歡迎@周不潤等各位大神補充和指正）。總體來說目前學術界對認知訓練的有效性還存在著爭議。並且，對於一些認知訓練的神經原理的研究還不完善，以致於人們對於為什麼認知訓練能或不能夠提高認知水平還不清楚。

最近，來自美國普林斯頓大學研究者們（包括MeganndeBettencourt, Jonathan Cohen, Ray Lee, Kenneth Norman, 和NicholasnTurk-Browne）證實了一種高大上的方法——神經反饋（Neurofeedback）——能夠有效的提升人們集中注意力的能力（deBettencourtnet al., 2015）。所謂神經反饋，一般是指在認知訓練中實時採集並計算神經信號指標（如腦電波EEG，功能核磁共振成像fMRI），再以視覺或聽覺的形勢反饋給受訓者，以期讓受訓者能夠根據反饋的信息學習自我調節腦功能。

畫外音：本座命題約稿的初衷是因為覺得Nicholas Turk-Browne關於神經反饋對注意力調節作用的報告特別贊。業內人士都知道，注意力這個課題被研究了好多年，從我本科畢業論文寫綜述的時候就覺得這個領域該做的都有人做了，過於飽和的問題就是貌似再難有新的突破點。所以聽到Nick的講座頓時覺得一個大寫的沒想到 (⊙?⊙) ，難得在注意力領域看到如此有新意的研究也是很欣喜的 (???)

如下圖所示的在普林斯頓大學這項研究中，學者們讓接受訓練的被試（請注意，他們用的是在讀本科生，而非老年人）區分一個場景是室內還是室外或者一張人臉是男還是女。聽上去是個挺簡單的任務，然而這個任務的挑戰在於半透明的場景和人臉是重疊放置的，而受訓者被告知需要選擇性注意人臉而忽略場景，或者注意場景忽略臉，並且只對被注意的類別做出判斷（室內vs.室外，或男vs.女）。為了實現神經反饋，學者們運用實時功能磁共振成像的方法(real-timenfMRI)，用機器學習中logistic regression的方法實現線上分析（on-linenanalysis），並自動判斷在當前時刻受訓者的注意力是否集中在與任務相關的圖像類別上（人臉vs.場景）。

當神經反饋系統檢測到受訓者注意力渙散或者切換到與任務無關的類別上的時候，系統便會自動通過降低與任務相關的圖片混合比例（比方說由50%的人臉降到30%的人臉）來增加任務的難度（對，是讓訓練任務變得更難！下圖b）。於是乎受訓者就可以從任務的難易程度來知曉他們的注意力集中程度了。當受訓者注意力集中的時候，訓練系統會自動降低訓練難度以獎勵這種優良的表現。反之當受訓者注意力不集中時，系統將增加任務難度來予以懲罰。整套系統從訓練任務開始，通過實時分析採集的神經信號（fMRI）來調製任務的難度，從而形成一套閉環的（closed-loop）反饋系統。

圖片來源: Figure 1. deBettencourt et al. (2015)

附上實驗視頻如下，有條件的童鞋們建議直接去Nature看這個實驗的具體實現過程

Closed-loop training of attention with real-time brain imaging : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group

用如此高大上的神經反饋系統，達到的訓練的效果那是杠杠的。該研究發現在接受訓練之前，本科生們完成這項任務的錯誤率竟然達到30%左右（面對這麼高的錯誤率，本人無語了。。不知是通宵趕project還是打dota來著）。經過神經反饋訓練以後，受訓者的表現有了顯著的提高，如下圖左綠色柱狀圖A』所示。真可謂是立竿見影的效果！而研究者發現當他們在一組對照組上使用源自受訓者的反饋信號時（也就是說對照組使用的反饋不是基於他們自己的fMRI信號），對照組的表現在訓練結束後並沒有顯著提高（下圖左藍色）。這說明此神經反饋訓練要"量身訂造"才能效果好呢！

圖片來源: deBettencourt et al., 2015(左), Sulzer et al., 2013(右)

註：A』（正確發音應為 A Prime）是一項利用"接收機工作特性" （Receiver operating characteristics）來分析行為學數據的方法。較高的A』值既需要高命中率（hit rate）也同時需要低的虛警率（false alarm rate）。因此靠不停的按鍵反應（jamming the button）的策略是行不通的。詳見Zhang & Mueller, 2005; Pollack & Norman, 1964，還有信號檢測理論Signal Detection Theory。

綜上看來，神經反饋確實能夠提高認知訓練的有效性。其一個最直接的好處是能夠實時並形象的將採集的腦信號反饋給受訓者，以便直觀的讓他們監控自己的神經活動（上圖右）。這樣相比傳統的開環（open-loop）認知訓練模式而言，閉環系統能夠更有效的讓受訓者學習約束和控制神經活動的能力從而達到訓練的目標。神經反饋的另外一個不可忽略的優勢在於採集的神經影像可被用與線下分析，以便研究者找出真正的原理與機制。這有別於傳統訓練的黑箱操縱模式（大多難以測量到底大腦里發生了什麼變化）。下面我們來看一下通過訓練後到底發生了什麼。

三、注意力訓練對中樞神經系統的作用

以下我們先來看看注意的神經機理以便清晰地闡述學者們在神經反饋訓練中的發現。已經對文獻瞭然如胸的高人們可自行略過，直奔最後一段。然後如果你認真看完了就請不要在評論區嫌棄它長好么...... 濃縮了一百多年研究的精華呢

我們的感覺系統無時無刻不被環境中的事物所刺激（光，聲，熱，感，氣，味）。但是大腦中負責有意識處理（conscious processing）的資源是有限的。這就意味著注意力就像一扇閘門一樣把無關的信息過濾掉（filtering）並增強有用的信息（attentional gain）。近代實驗心理學對注意的研究應該起源於鼎鼎有名的Hermann von Helmholtz。在下圖所示的實驗範式中，Helmholtz發現注意力可以被主觀的引導至非眼睛注視的周圍視野區域（內隱性注意，covert attention）。當他把注意力集中在視野中某一區域時，他發現那一區域中的字母能夠更好的被辨認出來，即使他的眼睛仍注視在中央的亮點上。

上圖來自Wright & Ward (2008)

認知神經學家Michael Posner延續了Helmholtz的研究。他利用基於電腦的 「線索化空間注意實驗範式」（cued spatial attention paradigm）對內隱性注意做了系統的研究（Posner et al., 1980）。該實驗範式的核心是運用cue來引導被試將注意力分配到左側或右側視野（如下圖中箭頭指向右視野，則被試需要將注意力集中到右視野；當然眼睛必須保持注視在中央的十字上），而隨後的視覺刺激則可能出現在被注意（valid）或不被注意（invalid）的位置（下圖a中的五角星出現在被注意的區域（valid），而b則出現在未被注意的區域（invalid）。Posner發現當視覺刺激出現在被注意的空間位置時，被試的反應速度要更快（相比刺激出現在不被注意的空間位置時，反應時縮短大約70 ms）。這從而在行為學上捕捉到注意力的有益之處。

上圖來自Wikipedia

自Posner以後，認知神經科學對內隱性注意的研究有了長足的發展。在腦電領域（electroencephalogram;nEEG)，學者們發現注意力可以增強視覺事件電位（event-relatednpotential, ERP）中的P1，N1等成分（Mangun & Hillyard, 1991）。通過研究視覺刺激出現之前（也就是cueingnperiod）的腦電信號，學者們發現視覺空間注意能夠抑制對側腦電圖中的alpha波段能量（8-13nHz；如下圖b，注意左側視野導致右半球的alpha波段能量降低（Worden etnal., 2000），從而增強與任務相關的腦區域的神經興奮程度。

上圖來自Mangun &nHillyard, 1991; Worden et al., 2000

以上的神經特徵都來自於大腦中的感覺區域（其實本人在這裡只介紹了視覺區）。而Posner和StevennPetersen認為注意控制應該源自大腦中一個獨立於感覺區域之外的高級系統。感覺區域本身則被認為在這套注意控制系統（attentionalncontrol system）的調製下選擇性的放大或過濾感覺信息（Posner &nPetersen, 1990）。當然他們的推斷當時主要是基於對中風病人的行為學研究。科學家一直到功能磁共振成像被用於認知研究後才精確定位了腦中兩套主要的注意控制系統（e.g., Hopfingernet al., 2000）。

簡而言之，自上而下的內源性注意（top-down/endogenousnattention; 也就是俗話說的集中注意力）是由dorsal attention system控制（下圖a中藍色區域，包括額葉眼動區 frontalneye field，FEF 和頂上小葉 superior parietal lobule，SPL）。dorsal attention system受我們主觀目的和計劃指引（goal-directed），並對感覺區域（如下圖b中的視覺區域）發出自上而下的注意控制信號（top-down attention signal）來增強對視覺區對感興趣的事物的處理。而另一套ventralnattention system（包括腹側額葉皮層 ventral frontal cortex，VFC 和顳頂交界區 temporoparietalnjunction，TPJ）則主要控制自下而上的注意捕捉機制（bottom-up/stimulus-driven attention；俗稱注意被吸引），負責對環境中顯著的信息（salient information，比如突然靠近的車）進行監測，並及時的將注意力重新定位到顯著信息上。

上圖來自Corbetta &nShulman, 2002

目前，學者們已經證實了注意系統對視覺區的控制可通過神經同步（neural synchrony）來完成。當注意控制系統和感覺區域的神經振蕩同步起來時，注意控制信號能夠順利的傳達到相應的感覺區域（Gregoriounet al., 2009）。如下圖所示，當注意集中在第4視覺皮層（V4）的感受野中時，從注意控制區FEF傳達到V4的神經同步被增強（下圖A中紅色曲線；藍色曲線為當注意集中在感受野之外時）。雖然B中顯示從V4到FEF的神經同步也被增強，但其起始時間要晚於A中的起始時間（160nvs. 110 ms），從而說明注意是自上而下的影響與任務相關的視覺區域。另外，學者們還證實了注意控制系統可通過調製感覺皮層中的alpha和gamma波段來控制感覺皮層的神經興奮程度（如Capotosto et al., 2009; Buffalo et al., 2011; Liu et al., 2014）。

上圖來自Gregoriou etnal., 2009

回到神經反饋的話題，普林斯頓大學的學者們發現在受訓者接受神經反饋的注意力訓練時，神經反饋信號其實是源自注意控制區域（下圖b）和位於枕葉及顳葉（occipitotemporal）的感覺區域（下圖a；個人感覺主要包括腹側視覺通路：ventralnvisual stream）。這也就說明一旦受訓者注意力不集中即導致注意控制區域和感覺區域中的神經激活產生變化，進而被反饋系統檢測到並以任務難度的形式反饋給受訓者以達到訓練目的。但是一個有趣的現象是學者們發現通過訓練以後，激活發生變化的腦區卻跟上面提到的區域不同（下圖c）。雖然在顳葉的一些區域可能與a中的一些區域有重合，但對比神經反饋訓練前後，基底核（basalnganglia）以及前顳葉（anteriorntemporal lobe）的激活都發生了變化。具體這些變化說明了什麼還有待進一步研究來闡明。

最後作者本人申明，該文中圖片及視頻資源都來自學術文獻以及網路。其版權屬於文獻原作者或期刊出版社。

參考文獻：

Bahar-Fuchs A, Clare L, Woods B. 2013. Cognitive training and cognitive rehabilitation for persons with mild to moderate dementia of the Alzheimer』s or vascular type: a review. Alzheimers Res Ther. 5:35.

Buffalo EA, Fries P, Landman R, Buschman TJ, Desimone R. 2011. Laminar differences in gamma and alpha coherence in the ventral stream. Proc Natl Acad Sci. 108:11262–11267.

Capotosto P, Babiloni C, Romani GL, Corbetta M. 2009. Frontoparietal Cortex Controls Spatial Attention through Modulation of Anticipatory Alpha Rhythms. J Neurosci. 29:5863–5872.

Corbetta M, Shulman GL. 2002. Control of goal-directed and stimulus-driven attention in the brain. Nat Rev Neurosci. 3:201–215.

deBettencourt MT, Cohen JD, Lee RF, Norman KA, Turk-Browne NB. 2015. Closed-loop training of attention with real-time brain imaging. Nat Neurosci. 18:470–475.

Gregoriou GG, Gotts SJ, Zhou H, Desimone R. 2009. High-Frequency, Long-Range Coupling Between Prefrontal and Visual Cortex During Attention. Science. 324:1207–1210.

Hopfinger JB, Buonocore MH, Mangun GR. 2000. The neural mechanisms of top-down attentional control. Nat Neurosci. 3:284–291.

James W. 1890. The principles of psychology. New York?: Holt.

Liu Y, Bengson J, Huang H, Mangun GR, Ding M. 2014. Top-down Modulation of Neural Activity in Anticipatory Visual Attention: Control Mechanisms Revealed by Simultaneous EEG-fMRI. Cereb Cortex. bhu204.

Mangun GR, Hillyard SA. 1991. Modulations of sensory-evoked brain potentials indicate changes in perceptual processing during visual-spatial priming. J Exp Psychol Hum Percept Perform. 17:1057.

Pollack I, Norman DA. 2014. A non-parametric analysis of recognition experiments. Psychon Sci. 1:125–126.

Posner MI, Petersen SE. 1990. The Attention System of the Human Brain. Annu Rev Neurosci. 13:25–42.

Posner MI, Snyder CR, Davidson BJ. 1980. Attention and the detection of signals. J Exp Psychol Gen. 109:160.

Sulzer J, Haller S, Scharnowski F, Weiskopf N, Birbaumer N, Blefari ML, Bruehl AB, Cohen LG, deCharms RC, Gassert R, Goebel R, Herwig U, LaConte S, Linden D, Luft A, Seifritz E, Sitaram R. 2013. Real-time fMRI neurofeedback: Progress and challenges. NeuroImage. 76:386–399.

Worden MS, Foxe JJ, Wang N, Simpson GV. 2000. Anticipatory biasing of visuospatial attention indexed by retinotopically specific alpha-band electroencephalography increases over occipital cortex. J Neurosci Off J Soc Neurosci. 20:RC63.

Wright RD, Ward LM. 2008. Orienting of Attention. Oxford University Press, USA.

Zhang J, Mueller ST. 2005. A note on ROC analysis and non-parametric estimate of sensitivity. Psychometrika. 70:203–212.