互动科普

脑电图是一项应用广泛的医学诊疗手段和脑功能研究方法。除此之外，作为世界上第一个无伤害性测量活体大脑信号的方法，它对人类探索意识的本质也有着深远的影响。脑电图的历史与人们试图了解自身的努力交织在一起。而它和电子计算机的结合又为意识领域的新发现提供了广阔的前景。

贝格尔医生的秘密实验

用脑电波来探索意识，开始于德国的一个不起眼的小诊所。那是1924年夏天的一个普通的傍晚，德国医生汉斯•贝格尔（Hans Berger）从心理诊所下班后没有马上回家，而是来到附近一所不起眼的小房子里，进行他的“私人”实验。一个病人已经等在那儿了。“泽德尔（Zedel）先生，你好！”打过招呼，贝格尔让病人坐在椅子上，拿起两个连着电线的金属片，一片放在病人的前额，一片放在病人后脑勺上，固定好。他让泽德尔闭上眼睛，然后打开电流计，密切注视记录仪上的指针变化。指针开始缓缓地运动起来……

贝格尔医生已在这小房子里度过了许多个傍晚。在自己工作的诊所里，他是个严格的主任，照章办事，行事谨慎。同事们都觉得他不大好接近。实际上贝格尔对行政管理和经营诊所并不热衷，他真正感兴趣的问题是，人如何产生意识。主任的身份让他对这种实验有所顾虑，因为身负着许多社会和家庭的责任。如若工作因此受到影响，也就更无法专注于自己的兴趣了。所以这一系列实验都是秘密地摸索着进行的。

在贝格尔生活的年代，对意识的研究基本还属于哲学讨论的范围，远未像物理学那样成为系统的“科学”。人们可以通过观测天体运行推导物理定律，却不知该观测什么来找到意识的“运行机制”。当时的生理学家已经发现大脑的主要元件是神经细胞，但它们与人的感觉、运动、情绪、思想等究竟有何关系，却一点线索也没有。解剖学家们虽然可以打开一个脑袋告诉你哪里是什么结构，却不得不承认意识纯粹是活人的游戏。你我都有各自的心理活动，但如何才能知道对方在想什么呢？或者先退一步，我们如何知道我们“可以”知道对方在想什么呢？也难怪有些哲学家坚持说意识根本不是由身体产生的了。

贝格尔虽然也和同时代的人一样充满迷惑，但他却坚持认为意识不是脱离身体而存在的。早期在耶拿大学（University of Jena）当讲师时，他就做过一系列的尝试性实验。他记录过人的心跳，脑血管血流量，甚至试过改变温度来观察这些怎么影响人的心理变化。当然，可以想见，他的这一系列尝试全进了死胡同。后来贝格尔的兴趣转移到了大脑的电流上。

年轻时，贝格尔曾跟随心理学界的前辈理查德•卡顿（Richard Carton）研究过动物的脑电流，但并未找到什么可靠的结论，毕竟动物有没有意识都存在相当的争议。可是对人做实验的话，又不能打开脑袋来插上电极；靠当时的设备，从头皮上能测到的电流实在太微弱了。这正是他为什么转而测量心跳之类的原因之一。

贝格尔当上心理诊所主任时，正赶上一战结束，诊所接收到一大批脑部有外伤的病人。其中一些颅骨受损，头皮下只有一层薄薄的组织覆盖着大脑。仍然惦记着电生理的主任先生暗喜：从去掉了颅骨阻碍的大脑或许能测到足够强的电流？于是贝格尔开始邀请自愿参与实验的病人，在他的“秘密小房间”里寻找线索。为了保守秘密，不能大张旗鼓地动用经费添置仪器，他使用的只是当时最普通的弦线电流计，灵敏度一般，但每次实验时，那小小的指针都让人神经紧绷。

1924年7月的这个夏夜也不例外，贝格尔医生打开电流计以后摒住了呼吸。指针颤了一下，开始上下移动……继续移动……移动……记录的纸带向前挪着，指针的笔头在上面画出了黑色的线条……十几秒钟过去，纸带上出现了一条清晰的曲线！被测者泽德尔仍乖乖地闭着眼睛坐在那里，却不知身旁的贝格尔医生心里早已一片狂喜：终于找到你了，大脑中的电流！

贝格尔医生

脑电图：意识研究的里程碑

虽然有了第一次成功，贝格尔并没有在第二天就把实验结果送去发表。从1924年7月6日第一次成功探测到人体脑部电流，到1929年4月第一篇关于脑电波的论文发表，贝格尔继续秘密地实验了将近5年。没错，是5年！他花了这5年的时间，不是为了攒下1000多张图纸等着将来卖钱，而是不厌其烦地排除了这种电流的其他来源。换句话说，他用5年的时间严格论证了这种特征的电流不是从心脏的神经上传来的，也不是皮肤表面的神经传来的，更不是从别的什么地方传来的—它确确实实来自大脑。他把自己发现的测量方法称为脑电图（electroencephalogram，简称EEG）。

更重要的是，贝格尔还从这上千张图里发现了一个规律：人在清醒状态并且闭着眼睛的时候，从后脑勺测得的电流呈现出一种周期性的起伏，每秒钟大约8～12次；一旦睁开眼睛，这种节奏就消失了，代之以更快的起伏，每秒钟大约13～30次。他把这两种频率分别命名为阿尔法（α）和贝塔（β）。

后继的研究者们证实了贝格尔的发现是可重复的。当然他们不用再像诊所主任那样偷偷摸摸，也不用费心寻找被打飞了颅骨的病人，而是可以使用最先进最灵敏的仪器在顶级的实验室里对普通人展开测量。但是不论你用什么设备，只要脑功能正常的人都可以得到“闭眼的”阿尔法和“睁眼的”贝塔。兴奋的人们争相建立自己的脑电图研究室，把贝格尔誉为“脑电图之父”，把他的发现誉为“里程碑”。

这两个称号都不过分。

首先，人们终于找到了和意识直接相关的生理信号。睁眼和闭眼代表了大脑活动的两种状态：睁着眼的时候，外界的信息不停地从眼睛传给大脑，大脑不停地进行分析，并作出反应，因此处于一种活跃状态；闭上眼，信息量大大减少，大脑不用再这么高度“警惕”，就转入了一种放松状态。这和脑电图上贝塔波动快、阿尔法波动慢是对应的。虽然这不能完全驳倒“意识不依赖身体而存在”的说法，但为“意识具有生理机制”提供了极有力的证据。意识的研究不再是哲学家们的口水战，而开始向脚踏实地的实验科学迈出了一大步。

其次，脑电图的整个测量过程对人体是无伤害的。在贝尔格之前，人们对脑功能的认识大部分都来自于疾病。比如布洛卡通过给失语症的病人做手术，发现了一个主管语言的大脑区域。只是这样的机会可遇不可求，一个“颞叶?M回皮质区”受损的病人不会自动跑来让你开颅检查听觉系统，如果一个人只是嗅觉失灵，他不会冒着脑残的危险让你把自己头颅打开看看嗅觉区域出了什么问题。更何况很多功能并非由一个脑区全权负责，而是许多区域共同合作的结果。大脑更像一个动态的网络，而不是一堆相互隔离的“格子间”。通过在头皮各个区域布满电极，我们可以测量整个头颅表面的脑电波，并且观察它们随时间的变化，得到许多手术检查看不到的信息。

第三，脑部的电流并非无章可循的“乱码”，而是具有特定频率的波，这个发现给了后人很大启发。人们又逐步找出了另外一些频率的脑电波和它们对应的大脑状态：熟睡的时候频率大约每秒1～3次，称为德尔塔（δ）；困倦、冥想或被催眠的时候，频率在每秒4～7次，称为西塔（θ）；在进行复杂的思想活动或者情绪波动的时候，对应的频率是每秒26～100次，称为伽马（γ）。另外还有一种特殊的波，只在一个掌管运动的区域探测得到，称为μ（读作“谬”），其频率和阿尔法相近。嗯，事情变得更有意思了。有了这些知识，医生可以在手术之前先通过脑电图预诊一下病人是什么功能出了问题，为进一步诊断脑肿瘤、癫痫、神经退行性疾病等等找到方向；心理学家可以在做行为实验的同时，察看与这些行为相对应的频率的脑波变化，从而找出大脑控制行为的规律。总之，对人类脑波的“解码”永远充满了想象力和挑战性。

脑—机界面：让意识插上翅膀自由飞翔

2007年的电影金球奖颁给了一部纪实性的法国片——《潜水钟与蝴蝶》。主人公鲍比在中风后的昏迷中醒来，听见医生在问他的名字，可自己根本不能发出声音。医生见他没反应，转身走开，鲍比急得想大喊，想挥手，结果任何努力都失败了，医生一直走出了病房。鲍比发现自己陷入了比植物人还悲惨的境地。植物人身体完好但没有意识，而自己意识清醒，能听能看，全身的感觉都很灵敏，却没有任何地方能动，除了左眼。就像被“锁”起来的灵魂，他的身体成了一个活的坟墓—能看见亲人朋友的担心和关切，却不能回复他们一个拥抱；没有表情来表达自己的喜怒哀乐，没有话语来表示自己的意愿；哪里痒了就更惨，无法自己抓也没法叫别人来抓，甚至鼻尖上停个苍蝇，都只能任凭它爬。如果不是还会眨眼睛，别人甚至无法判断他是否还有意识。这种痛苦完全无法告知他人，想结束这种痛苦都自杀无门。

鲍比的故事是一个真实的“闭锁综合症”病例，眨动眼皮是他和外界交流的惟一途径。他靠着眨眼将自己被“锁住”的经历写成了一本书，并最终搬上了银幕。如果不是鲍比的坚持，外人也许意识不到这种生不如死的痛苦有多可怕，也不会主动去关注这种相对罕见的病人。好在这个时代我们的技术已经具备了接受挑战的实力，已经有人开始行动了。

既然病人的大脑和感官是完好的，问题的关键就在于我们怎样从外界来“读取”他的意识。如同《哈利•波特》里的巫师，伸开手指罩在别人的头上，嘴里就能念出他们不可告人的秘密。现实中上哪儿找这么一种巫术呢？脑电图仪就是我们的不二人选。它有上百个电极—比巫师的手指还多，这些电极连接着比巫师还聪明的头脑—电子计算机。今天早已不是贝格尔那个用记录纸和指针来绘制曲线的年代，软件程序可以瞬间完成脑波分析需要的计算量，跟上病人意识活动的速度。概括起来，就是用脑电图仪把大脑电信号传递给计算机，由计算机分析出大脑指令并指挥机器壁来完成人的意愿。由于这套方案把人脑和计算机连在一起，因此被称为“脑—机界面”技术。

你也许会问，我们为什么不用更准确一点、可以定位到大脑内部的方法？障碍在于测量时间。使用其他能够空间定位的方法，完成对整个脑部的扫描都要以秒计算，可是即使一个“抓痒”的决定作出，也远快于几秒钟。且大脑往往是以网络化的形式工作的，即使定位到了正确的活跃区，它在网络中充当什么角色目前还没有好的解码方法，至少不如脑电图中对频率的分析那么高效。万一病人一时尿急，而我们的“巫婆”却久久不能决定“他这块区域活动了，是想吃饭呢还是想小便呢？”那多糟糕……所以，还是脑电图更能胜任这种需要实时监控的任务。

技术上的问题解决了，接下来的工作就全看我们如何找到正确“解码”大脑活动的方法了。我们早已知道了一些脑波频率对应的功能，不过，那些了解还很不够。因为日常生活中大脑要处理的信息比实验室和诊室里的情况复杂得多，实际的脑电图是各种频率脑波的混合物。比如很可能一个阿尔法和一个伽马同时传到了头皮的某个点，它们的频率发生了叠加，出现了与已知的标准波形都不相像的混合波。这时我们如何提取混合物里的信息？

幸亏，脑电波是种波，早在19世纪，法国数学家傅立叶就提出了从混合波计算出每种频率上强度的行之有效的方法。19世纪初叶，物理学家们就开始尝试把混合波的各种成分分开研究，称之为“频谱分析”。所谓频谱，即按照频率绘成的图谱。如果我们画一条横坐标轴来表示频率的大小，再用纵坐标表示每个频率对应的波强度，就得到了波强度的频谱。这样做的好处是可以分开监控每个频率的波—这正是我们想要的。把上面的混合波分解成频谱，就可以看到阿尔法和伽马各自的变化，从而推测它们各自对应的功能如何变化了。

另一个难点是人机配合需要一个磨合期。不同人即使完成相同的任务，表现出来的大脑频率也会千差万别。虽然有从德尔塔到伽马的分类法，那都是很笼统的对功能的概括，我们需要具体问题具体分析。电脑得学会适应它的人类“伙伴”，找出它做某件事情的时候，哪个频率上的波强度发生明显变化。

图中为一种脑电波操控类游戏。玩家头上佩戴的是脑电波接收器，要想办法通过脑电波把蓝色的小球送入洞

2007年，一个英国和芬兰和合作小组在“计算智能与神经科学”（Computational Intelligence and Neuroscience）杂志上发表了他们的研究成果。他们让四肢瘫痪的病人玩一个移动小球的游戏。准备的时候，屏幕上会出现一个箭头，指向左边或右边的柱子。当球出现在屏幕中央时，病人就想象自己抓紧左手或右手的拳头，左右取决于箭头的方向。一台用于脑—机界面的电脑在一旁实时监控，分析出病人想象的是左手还是右手，然后指挥屏幕上的小球向相应的柱子移动。一开始计算机需要摸索病人的脑波特点，所以会出现错误的情况。每次游戏，病人有10次机会，如果10次之内能把球移到正确的柱子就算赢了，超过10次就算输，重新开始下一次游戏。参加实验的一共有6个病人，每个人的游戏时间都相同。在这段时间内，如果他们总是第一次就能把球移到正确的位置，预计最多能玩27次游戏。实验结果，他们赢得游戏的次数分别是15、10、8、3、1、9。你觉得这个结果怎么样？

在对闭锁综合症的病人应用脑—机界面的时候，小游戏中的柱子可以换成一串字母，病人控制鼠标移向不同的字母来发出指令。不过从目前研究得到的实验结果看来，怎样更精确地控制鼠标，缩短人机磨合期，还有很长的路要走。但无论如何，脑—机界面毕竟给闭锁病人的解放带来了一丝曙光。从这项研究中，人类也看到了另一幅前景：也许有一天，用意念弄弯一把勺子将不再是科学幻想。

（本文发表于《科学世界》2008年第8期）