EEG在注意力、記憶方面的原理與應用

本分享爲腦機學習者Rose整理髮表於公衆號：腦機接口社區(微信號：Brain_Computer).QQ交流羣：941473018

Hello，大家好！

Rose今天分享一下EEG在注意力、記憶方面的原理與應用。

一項研究表明，在演講或講座總，聽衆在48小時後很有可能會忘記90%的內容，他們記住的信息特別少，而且這些信息通常是一些隨機的信息，並非是演講者希望聽衆記住的信息(Ebbinghaus, 1885)。

在心理學中，記憶被定義爲大腦儲存和記憶過去信息的過程。經典的心理學模型把記憶看作是一個連續的過程，在這個過程中，信息首先被編碼到大腦中，然後才能被使用或存儲。無論什麼信息被編碼，它現在都在大腦中呈現出來，可以長時間保存。存儲後，檢索機制允許訪問或回憶這些信息。這些操作發生的時間跨度允許心理學家區分短期記憶(秒到分鐘)和長期記憶(可能是無限的)。當短期記憶被操縱並應用於認知任務時，記憶被定義爲“工作記憶”。

當涉及到記憶的生物基礎時，這些階段的定義不是很明確。總的來說，與記憶相關的所有方面似乎都是分佈式的過程，涉及大量的大腦區域和幾種編碼機制。例如，海馬體似乎參與了新信息的編碼:當受損時，儘管舊的記憶是安全的，可以被回憶起來，但是喪失了形成或編碼新記憶的能力。這個過程似乎依賴於海馬體協調其神經元活動的能力，併產生theta頻率的振盪(Buzsakian Moser 2013)。與此同時，我們大腦的額葉區域似乎參與了對已經儲存的記憶的處理，因爲額葉受損的患者在回憶方面表現出缺陷(Simons and Spiers 2003)。在額葉區域，記憶似乎是在大量神經元的異步活動中編碼的(Baeg等，2003年)。

除了這種複雜性，被編碼爲記憶的內容也可以被認知需求調節。例如，關注某一特定事件會增加其存儲的可能性，而干擾物的存在(例如午餐時有趣的談話，或學習電話號碼時突然的聲音)會降低其存儲的可能性(Cowan1997)。注意力、期望、新奇感、獎勵或年齡都會影響你的記憶力。同樣，癡呆症、阿爾茨海默病和其他神經系統疾病也會影響與記憶的幾個方面有關的大腦區域(見圖的右側)。

當人們與不同內容類型(如移動應用程序、視頻、手冊、演示文稿等)交互時，大腦會產生與情感和記憶相關的各種大腦信號。將這些大腦信號轉換成與記憶內容相關的特徵，如參與度、動機、注意力、工作記憶、情緒喚醒和愉悅度(效價)。通過定義並計算這些變量，研究人員就可以將它們與所研究的傳播材料結合起來，以獲得一些有價值的結論。

效價喚起(Valence-Arousal)是情感的複雜模型

效價(Valence)在橫軸上表示從不愉快到愉快的值，而喚醒(Arousal)在縱軸上表示從不活躍到活躍的值。

例如，在一個視頻中的一個咖啡場景中，觀衆的喚醒度很低，而效價是中等的，所以這個場景似乎能引起放鬆、低注意力需求、中等動機和工作記憶。

除了在視頻中插入聚合信號(可以離線實現，也可以實時實現)之外，還可以跨不同場景或在工件中使用的不同視覺技術之間計算統計數據。這使我們的客戶有可能比較在演示中使用的不同媒體(如PowerPoint演示文稿和講義)對認知和情感的影響，或在參與者體驗相同媒體時識別感興趣的時刻。

例如，在最近的一項實驗中，20個人看了大約7分鐘的視頻，同時記錄了他們的腦電圖(EEG)和心電圖(electrocardiography)。再離線分析和提取上述變量的信號後,我們得出以下(見下圖):標爲ReturntoLoc的事件與場景的變化相對應,在整個視頻中產生最高的動機(橙色),而最令人興奮的部分(最高的價和喚醒)是視頻的開頭。同樣，在第二個內心獨白(InternalMon2)場景中，工作記憶(黃色)和注意力(綠色)在整個視頻中是最高的。結合高喚醒(深藍色)和中等效價(淡藍色)，這個場景可能是一個最高的驚喜/興趣的跡象。