可穿戴式脑电波检测设备，真的是“黑科技读心术”吗？

作者丨曹安洁

编辑丨HXQ

排版丨夏獭

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题图来自New York Times 2013年的一篇报道，这篇报道当时写道，可穿戴式脑电波检测设备离进入主流市场只差一步之遥了。六年之后的今天，我们的技术真的成熟了吗？

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未来黑科技还是忽悠老百姓？

随着科技的发展，越来越多的可穿戴式设备进入了我们的生活。从简单的计步器，到最新的智能手表、健身手环，再到充满未来感的VR眼镜——可穿戴式设备的流行，象征着科技不再是冷冰冰远离普通人的机械，而是和我们生活息息相关，帮助我们每个人更好地了解自己的工具。

试想如果有这样一台设备，它能让你轻轻松松监测自己的脑电波，就像监测自己的心率一样简单——只需要佩戴上一个小巧轻便的头环，按下一个开关，你的脑电波动态就会一览无余地出现在你的手机屏幕或者平板屏幕上。而且，你不会面对着高高低低的曲线不知所措，无需了解α波β波分别代表什么状态，你的脑电波动态会被软件自动解读成简单直观的形式：你能看出自己什么时候走神、注意力不集中，能看出来自己什么时候专心致志，效率更高。这样的产品，听起来简直就像来自未来的黑科技一样，说是科幻感极强的读心术也不为过。

图 1 黑科技读心术？

而令人惊讶的是，你如果在各大电商网站上搜索“脑电波”、“脑机接口”这样的关键词，是不会空手而归的：现在市面上已经有了很多这样的可穿戴式设备。这些产品的价格从几百元到上千元不等，几乎不超过一部最新苹果手机的价格。而更令人心动的是，这些产品不仅有趣好玩儿， 可以让你做到“意念控制小汽车”“意念切水果”，有些产品还声称，结合他们的软件进行注意力训练，使用者能在短时间内有效地提升自己的注意力，甚至还有广告针对为孩子操心的家长，声称拥有这样一台头环，“就相当于为孩子请了一位哈佛私人家教”。

尽管各大新闻媒体、电子消费品点评网站对这些产品几乎都是清一色的积极评价，但是有心的消费者不难发现，这些产品网站上往往缺乏产品工作原理的介绍。 即使有的网站有“学术发布”相关的界面，但其所列举的文章往往都发表于与脑科学相关性较小、影响因子较低的边缘期刊，这些实验缺乏真正严谨的有双盲设计、随机分配组的有效性研究。

那么，这样的可穿戴式脑电波检测设备，究竟是“未来已来”的黑科技，还是在忽悠老百姓，充其量就是个科技感比较强的玩具装饰品？

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市场乱象横生，缺乏科学证据

针对现在市场上愈来愈多的可穿戴式设备，前不久，来自加拿大英属哥伦比亚大学（UBC） 的科学家们在国际顶级的神经科学期刊《神经元》上发表了一篇文章，严肃地质疑了这些产品的有效性。

这些科学家们搜罗了全网共41种直接面向消费者的可穿戴式设备，其中有19种是提供刺激的经颅直流电刺激型设备（tDCS, transcranial direct current stimulation），而剩下的22种，都是时下流行的“脑电波检测设备”。在这些可穿戴式设备标榜的171个不同的卖点中，大部分可以归为四类：整体状态（wellness）， 自我提升（enhancement）， 实际应用（practical application) 和健康（health）。其中，关于“整体状态”与“自我提升”的卖点占到绝大多数，分别占42.6% 与 43%。 也就是说，绝大多数的可穿戴式设备，都自称能帮助消费者改善某一方面的状态——比如有助放松、提高睡眠质量、提升效率、提升注意力等等（Mccall  et al., 2019）。

图 2 某品牌脑机接口头环的广告宣传图

可是，与宣传中丰富而有效的功能形成鲜明对比的是，绝大多数产品都有一个硬伤：缺乏科学证据。在这些厂家所宣传的171个卖点中，只有8个卖点被附上了一篇科学论文的证据。而剩下的绝大多数，要么是“顾客反馈”，要么是模模糊糊地说一个大概的“科学概念”，或者是通过公司自己内部做的“实验”来证明自己的产品有效。而且，这篇文章也指出，很多这样的产品为了绕过严格的审查，会避开标榜健康相关的卖点，而语焉不详地使用“整体状况”、“生活质量”这样不会触发医疗保健部门审查的广告词。

针对这样的市场乱象，这些科学家们总结道，科学证据对于效用性、安全性以及社会公信度，都有着至关重要的作用。他们呼吁社会各界对于这样的产品要保有警惕心，监管部门也需要及时跟进，促进产业市场效益最大化，避免它可能带来的伤害，让这个还在襁褓期的产业能从一开始就能捍卫住自己的道德底线。

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脑电检测的艰难发展史

2016年，美国食品药品监督管理局开始对所有标榜“大脑训练”的设备与游戏进行严查管制。而美国联邦贸易委员会也计划为成千上万已经购买了相关产品的消费者进行退款手续的办理 （Robbins, 2016）。可以说，这样的乱象是由脑机接口技术转化为商品的下游环节出了问题所导致的。那么我们追根溯源，这项商品的技术上游，会不会也有问题呢？ 从原理上来说，可穿戴式脑电波检测仪真的可行吗？

对于大部分人来说，脑电波这个词并不陌生。的确，人类对于脑电波的检测可以上溯到上个世纪二十年代。1924年，德国精神病学家汉斯·伯格第一次在头皮表面检测到了脑电波信号，但他对于这一信号也将信将疑，经历了反复地求证之后，在五年之后才发表了第一篇论文详述自己的发现。作为检测人脑电信号设备的发明人，他也是第一个将这项技术命名为“electroencephalogram（EEG）”的人，是实至名归的领域开创者（Millet, 2002）。

一开始，人们对于这项技术自然是感到新奇万分：这可能历史上第一次，科学家们能用一种温和的方式窥伺大脑的奥秘。不需要麻醉，不需要开颅，只要轻轻地把电极放在头皮表面，就能读取出大脑活动的信号——可是这样掀开巨幕一角的新鲜感与惊奇感，也带来了很多问题：学界内部缺乏测量的统一的规范标准。

1947年，国际EEG学会联盟（ International Federation of EEG Societies）正式成立。在会上，来自世界各地的科学家们意识到缺乏统一标准带来的问题：在摆放测量电极的时候，很有可能一个实验室摆在一个位置，而另外一个实验室摆在好几厘米之外，可是在分析结果、解读数据的时候，这两个实验室都认为自己把电极放在同样的脑区 （Silverman, 1963）。

大脑这样精密的器官可不是随便摆摆探头就行的。在后来的会议上，国际EEG学会联盟号召大家采用统一的标准，在摆放探头的时候根据每个人的颅骨尺寸和形状，按照国际10/20系统法进行探头排布（Jasper, 1958）。所谓的10/20，指的就是两个相邻探头之间的距离，占从头骨前后长度或左右长度的10%或者20%。到现在，这已经是学界内应用最广泛的一种排布方式。如果想检测脑电波，并对检测到的信号进行有效的解读，大部分的实验室都会采用这样的探头排布方式，以确保结果的严谨程度。

图 3 10/20系统法要求的电极安放示意图

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利益与科学的较量？

在声称自己的可穿戴式产品有“检测注意力”的功能，甚至还有能“提升注意力”的奇效之前，一个必要的步骤就是确定这种新兴的“黑科技”能与目前学界通行的技术手段所测量到的数据，保持高度的一致性。然而目前为止，即使是学界提供的证据也有很多相互矛盾，质量良莠不齐。

比如说，在2015年，一组研究人员声称自己找到了一种名叫Versus的可穿戴式脑电监测设备与传统的湿电极设备同样有效的证据（Wyckoff et al., 2015）。然而在2017年，另外一组研究人员在对比了医用级的脑电检测设备和商品化的可穿戴式脑电监测设备之后，得出了结论，认为两款医用级的设备（B-Alert, Enobio）仍然在信号质量上要远优于实验用的两款种可穿戴式设备（Muse, Mindwave）（Ratti et al., 2017）。

而且，在审视这些证据本身的同时，读者也需要考虑这样一个有趣的情况：2015年的那项研究“恰好”由Versus公司赞助，而2017年的这篇论文是由一家名叫Biogen的生物技术公司所赞助的，几位文章作者也“恰好”受雇于医用级设备的生产商。

无独有偶，“脑电波神经反馈技术（EEG-Neurofeecback）”是一项常常与可穿戴式脑电监测设备挂钩的技术，许多商家都声称自己的产品就是通过脑电波神经反馈的原理提升使用者的认知能力。然而讽刺的是，现在许多支持这项技术的人所引用的论文，往往都是由提供神经反馈训练服务的公司所赞助的。更夸张的是，有人发现，在一家公司列出的39篇证明“脑电波神经反馈技术”的参考文献中，有37篇的作者都参与了脑电波神经反馈技术的商业化（Thibault et al.,2017）。而与之形成鲜明对比的是，2017年一项没有受到任何公司赞助的研究，也是目前公认的实验设计最严谨、实验样本最大的的研究，发现脑电波神经反馈技术的效果与安慰剂效果没有区别，这项结果发表在顶级医学期刊《柳叶刀-精神病学》上（Schönenberg et al., 2017）。

这当然不是说由商业公司赞助的研究项目一定从根本上缺乏可信度。但是，如果所有支持这种产品有效性的证据都是由公司出资，而且大量支持这种产品无效的研究都来自不受公司赞助的高校或者科研机构，这便难免使人心生怀疑：“这样找到的有效性，真的能全信吗？“

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来自未来的黑科技，真的还在未来等你

如果你曾在实验室或者医院亲身经历过脑电采集，你就会发现，可穿戴式的脑电设备可以说像魔法一样神奇——不用专业人员协助，不用往头皮上抹提升信号质量的脑电膏，甚至不会有紧张兮兮的实验员在旁边唠唠叨叨地提醒你：别动，别眨眼，再坚持一下。

也许是人们对于“脑电波”这一概念已经十分熟悉，所以就容易忽视这样的技术其实有很多的局限与不成熟。很大的一个问题是脑电信号非常容易受到其它信号的干扰。放置在头皮表面的电极所检测到的脑电信号基本上以几十微伏计（Louis et al., 2016），而我们的肌肉细胞同样也会释放肌电信号。于是，哪怕是传统的正规实验室用的脑电图设备，也容易受到肌电信号的干扰。尤其是频率在20赫兹以上的脑电信号，受到肌电信号的干扰后的测量值甚至能出现数量级上的差异（Whitham et al., 2007）。即使现在越来越多的机器学习算法都在试图从这些信号噪音中提取出有效的信号，但现在的技术远不成熟，信号去噪对于实验室中用的研究级产品都仍然是一项严峻的挑战，更别提商业化的生活产品了（Wexler et al., 2018）。

从各种意义上来讲，脑电信号检测技术还处于起步阶段。对于这项技术，科学家们仍在摸索：如何能让探头的精度更高？如何能在收集到的信号中提取到真正与大脑功能有关的信号？而这样的了解，又能怎样地被应用，怎样地造福人们的生活？

这些问题，现在还没有人真正知道答案。

可穿戴式设备的流行是件好事。上到白发苍苍的老人，下到蹦蹦跳跳的学童，每个人都对科技能够进入生活、改变生活充满了憧憬之情。但脑科学不过是近几十年才刚刚起步的学科，远远还没有发达到能够以可穿戴式设备的形式进入我们每个人生活的水平。如果此时就将自己包装成“黑科技读心术”的模样，那么从长远角度来看，社会也会对这项技术失去热情与信任。

而我相信，每个热爱科学、相信科学的人，都会同意，与短时间的夺人眼球相比，这样公信力的丧失绝对是得不偿失，后害无穷的。我们不妨给科学一些时间，对技术有些耐心，毕竟来自未来的黑科技，真的还在未来等你。

作者简介

曹安洁，卡内基梅隆大学本科生，认知科学与哲学双专业在读，以后想做婴儿认知发展与语言习得相关的研究，业余时间热爱写科普以及研究匹兹堡当地美食:D

封面图片：

https://bits.blogs.nytimes.com/2013/04/28/disruptions-no-words-no-gestures-just-your-brain-as-a-control-pad/

参考文献：

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McCall, I. C., Lau, C., Minielly, N., & Illes, J. (2019). Owning Ethical Innovation: Claims about Commercial Wearable Brain Technologies. Neuron, 102(4), 728-731. doi:10.1016/j.neuron.2019.03.026

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