虽然“数字生命”就目前而言还十分超前，但在人的大脑、脊髓和外周神经系统中，神经元们之间确实是通过电信号和化学信号进行交流，并最终形成了人的灵智。而脑电波（Electroncephalogram，EEG）则是一种相对宏观的信号，当大量神经元，尤其是那些大脑表层的神经元，同步“放电”时，就能在人的头皮表面通过安置的电极监测到这一叠加后的信号。
科学家将脑电波根据频率划分为四或五个波段，这些波段代表了人在不同状态下神经元活动的不同节律性。其中α波的频率为8~13Hz（或7.5~12.5Hz），幅度在20~100μV之间，当人处于清醒放松闭目的状态时，就能观察到α波，而当睁眼、思考问题、接受其他刺激时，α波消失；而当人恢复安静、闭眼时，α波会重新出现。个人α波峰值频率（Individual alpha peak frequency，IAPF）指的是在这个波段所测得的内功率最大的频率，健康成年人的IAPF通常在9.5-11.5Hz之间，不同人之间的IAPF差异可能有遗传因素的影响，而同一个人的IAPF也可能会随着年龄增长而改变[1]。IAPF某种程度上代表着大脑所处在的自然节律。
近日，剑桥大学心理学系Zoe Kourtzi教授领导的研究团队表明，在执行学习任务之前短暂地调整一个人的脑电波节律，可以显著提高我们吸收和适应新信息的能力。相关结果以“Learning at your brain’s rhythm: individualized entrainment boosts learning for perceptual decisions”为题发表于Cerebral Cortex。
图1 研究成果（图源：[2]）
研究人员首先使用EEG设备测量了80名参与者大脑的电生理活动，并读取了α波波段的频谱，以获得每个参与者各自的IAPF。研究人员随后利用该结果，为一部分参与者每人单独创建了独属于他们个人的视觉“脉冲”：即在黑色的背景中央，一个白色的方块以IAPF的频率闪烁15个周期。由于IAPF通常介于9.5-11.5Hz之间，白色方块闪烁的一个周期时长约为100ms，视觉“脉冲”总时长即为1.5s左右。
图2 剑桥大学心理学系Zoe Kourtzi教授领导的适应性大脑实验室中的脑电波实验设置（图源：剑桥大学）
通过这种名为“挟带”（entrainment）的方式，研究人员希望能够使得这部分参与者的α波在IAPF处的功率进一步增强，即“挟带”后，参与者的大脑更倾向于以该频率进行振荡。对于另一部分参与者，研究人员使用频率偏离其IAPF±1Hz的视觉“脉冲”进行“挟带”，最后，给予对照组参与者的视觉“脉冲”则是随机的。
在视觉脉冲结束后，参与者需要进行一个棘手的快速视觉认知任务：判定较低信噪比的复杂目标图像属于哪一类别。对于目标图像的呈现，研究人员也对参与者进行了分组，一部分的呈现位于“挟带”所对应的振荡的波峰处，而另一部分则处于振荡的波谷。
图3 “挟带”与目标图像的呈现方式（图源：[2]）
结果表明，那些在“挟带”中匹配了大脑自然节律、且目标图像呈现与相应振荡的波谷对齐的参与者，其学习速度至少比其他所有组快三倍。这些学得更快的参与者在第二天任务中的表现也保持了较高水平。
图4 不同组参与者学习效率对比（图源：[2]）
研究的第一作者、现就职于剑桥大学认知和脑科学部门的Elizabeth Michael博士表示，能够发现这种大幅促进学习效率的具体条件令人兴奋，““干预本身非常简单，只需要屏幕进行短暂闪烁，加上正确的相位（波谷）对齐，似乎就会产生强大而持久的效果。”而相位对齐之所以重要，是因为神经元这时正处于振荡周期中具有“高接受性”的那个节点上。
研究的共同作者、南洋理工大学和剑桥大学心理学系的Victoria Leong教授这样理解该现象：“虽然感觉上我们对世界的关注是连续的，但实际上我们的大脑采用了拍摄快照的方式离散地获取外界的信息，然后我们的神经元相互交流，将信息串在一起。”
“我们的假设是，通过将信息传递与脑电波的最佳节点相对齐，我们可以最大限度地捕获信息，因为这时我们神经元的兴奋性正处于最高点。”
Leong之前的工作表明，母亲和婴儿在交流时脑电波会同步。Leong认为这项最新研究中的机制非常有效，反映了我们婴儿时期的学习方式。
“我们正在利用一种机制，让我们的大脑与环境中随时间推进而出现的刺激保持一致，尤其是在父母与婴儿的互动过程中那些自然而然的交流线索，比如言语、目光、手势等等。”Leong说。
“当成年人与年幼的孩子说话时，他们会采用以儿童为导向的语言——一种缓慢而夸张的说话方式。这项研究表明，这种说话方式可能是一种自发的速率匹配，可以引导儿童较慢的脑电波来支持学习。”
研究人员表示，该研究虽然以视觉感知为测试对象，但机制可能是通用的，广泛适用于多种情况，包括听觉学习等。
此外，通过脑电波“挟带”的方式提高学习效率看起来很科幻，但实际上实现起来并没有那么困难：不需要研究中使用的EEG设备，现有的简单仪器就可以轻松测出大脑的自然节律。
“现在孩子们在屏幕前的学习已经变得十分普遍，可以想象该方法能够提高那些可能是由于注意力缺陷而在普通教室里苦苦挣扎的孩子们的学习水平。” Kourtzi说。在涉及诸如飞行员、外科医生等职业的岗位培训时，该“挟带”脑电波的方法结合虚拟现实技术也能帮助快速学习和快速决策，为学习者提供优势。
参考资料：
[1]Christie S, di Fronso S, Bertollo M, Werthner P. Individual Alpha Peak Frequency in Ice Hockey Shooting Performance. Front Psychol. 2017 May 16;8:762. doi: 10.3389/fpsyg.2017.00762.
[2]Elizabeth Michael, Lorena Santamaria Covarrubias, Victoria Leong, et al, Learning at your brain’s rhythm: individualized entrainment boosts learning for perceptual decisions, Cerebral Cortex, 2022;, bhac426, https://doi.org/10.1093/cercor/bhac426
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/978133
