神经生物反馈实验指导(初稿)

目录
1 实验目的 1
2 设备简介 1
3 训练原理 2
3.1 脑电反馈训练原理 2
3.2 3
4 SMR波反馈训练 5
4.1 训练目的 5 4.2 训练方法 5
4.2.1 被试介绍
4.2.2 训练程序5
4.3 训练总结7
5 心率变异性反馈训练8
5.1 训练目的
5.2 训练方法8
5.2.1 被试介绍8
5.2.2 训练程序9
5.3 训练总结
6 皮电反馈训练11
6.1 训练目的11
6.2 训练方法11
6.2.1 被试介绍1
6.2.2 训练程序11
6.3训练总结13
7 总结13
参考文献14
附录Ⅰ脑电反馈信息采集表15 附录Ⅱ外周反馈信息采集表
神经生物反馈实验指导（初稿）
1 实验目的
（1）掌握SMR波、心率变异性、皮电等生物反馈训练的基本原理
（2）掌握中枢指标（θ波、α波、SMR波、β波）和外周指标（SDNN、RMSSD、%LF、%HF、LF/HF、Mean、StdDev）等生理指标的意义
（3）熟悉SMR波、心率变异性、皮电等生物反馈的训练过程
（4）收集有效个案数据进行分析，并对训练效果进行评估
（5）结合个案训练效果总结、提炼出适当有效的生物反馈训练程序
2 设备简介
采用荷兰Mind-Media公司生产的Spirit-16高级认知神经16通道生物反馈仪作为训练设备。

此设备精度为24Bits（即可转换1677万生理信号），最大可连接16个通道，其中1~8通道作为单级脑电连接通道，9-16通道作为外周生理信号连接通道，包括呼吸、心率、皮电、皮温、肌电等。

图1 Spirit-16高级认知神经16通道生物反馈仪
两台17寸液晶显示屏作为反馈程序的呈现工具，其中一台是主屏，可呈现各种具体生理指标信号的线性或条形图，作为主试监控屏；另一台是副屏，呈现具体的生物反馈画面，供被试训练之用。

图2 高级认知神经16通道生物反馈仪的主屏、副屏
此生物反馈训练系统通过随机自带的BioTrace+4.0版软件包进行数据的收集和分析。

此软件包功能强大，与Spirit-16生物反馈仪配合，可以进行多种生理信号的记录、采集、反馈程序的呈现及数据的分析和导出等多种工作。

另外，其自定义功能强大，高阶用户可自由地对原始反馈程序做适当的修改，设计全新的反馈训练程序。

反馈程序的基本单元是“屏幕”。

本实验使用的屏幕均存储在“生物反馈教学”文件夹下，训练者可根据训练内容调用合适的屏幕进行训练。

3 训练原理
反馈在心理学上指主体对自己行为结果的了解，在生命活动中具有重要的意义。

人对自身身体活动的调节之所以成为可能，是由于无数复杂的反馈回路的相互作用。

也有不少生理过程变化缓慢或生物电反应微弱，不能被人直接觉察到。

生物反馈技术就是为了解决这个问题而在本世纪60年代发展起来的一门学科和医疗技术。

生物反馈是运用操作性条件反射的原理，采用电子仪器测定神经-肌肉和自主神经系统的正常和异常活动状况，并把这些信息有选择地放大成视觉和听觉信号，反馈给被试，帮助被试逐步了解原来不为其所感知的机体状况的变化过程，通过学习和控制仪器所提供的外部反馈信号，学会自我调节内部心理生理变化，达到预防和治疗疾病的目的[1]。

3.1 脑电反馈训练原理
（1）SMR波反馈训练(sensorimotor wave feedback training)
研究发现，当猫学习对运动进行抑制时，在感觉运动区的皮层上，可以记录到12-15赫兹的正弦节律，因为这种活动发生在大脑皮层的感觉运动区，所以取名为感觉运动节律[2]。

SMR波反馈训练指将SMR波的脑电信号通过视听方式反馈给被试，要求被试尽可能提高其强度的反馈训练方法。

感觉运动节律的出现，不管是在睡眠还是在清醒状态，都是与缺乏运动密切联系在一起的，为此，研究者们采用生物反馈训练的方法，增加被试的感觉运动节律, 临床上可以治疗癫痫。

30多年来的研究表明，SMR训练可增强学习障碍者的注意能力[7]。

对于注意缺陷及多动障碍（ADHD）患者，SMR生物反馈训练能够显著地提高他们的持续性注意的水平。

近来有关SMR反馈训练对健康人影响的研究表明，SMR的增强与“TOVA”（Test Of Variables Of Attention，注意变量测验）中表现出的知觉敏感度的提高密切相关，此外，SMR的增强与P3b事件相关电位（此电位与注意有关）的增强亦密切相关。

（2）θ波反馈训练(theta wave feedback training)
θ波指频率范围在4-8赫兹的脑电信号，通常在人比较疲劳的时候容易出现。

成年人在意愿受到挫折和抑郁时，这种波极为显著。

θ波反馈训练指将θ波的脑电信号通过视听方式反馈给被试, 以达到增加或减少θ活动的反馈训练方法。

其具体做法是：当在一段时间里θ波出现的平均数比以前减少或保持不变时，如果此时被试使θ波增加, 就使声音（比如400赫兹）响得比以前更强些，以资鼓励；反之，使声音响一秒种以示强化。

通过生物反馈训练的方法，可以使被试产生较多的θ波, 也可以通过相反的训练抑制θ波的产生，通常和SMR波反馈训练结合使用。

（3）α波反馈训练(alpha wave feedback training)
α波指频率范围在8-13赫兹的脑电信号。

它是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加刺激，其频率是相当恒定的。

人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛或接受其它刺激时，α波即刻消失。

α波反馈训练指将α波的脑电信号通过视听方式反馈给被试，以达到增加或减少α活动的反馈训练方法。

具体做法有：要求被试猜测自己头脑中是否出现了α波；利用被试产生的脑电α波控制速示器呈现闪光或图片进行反馈；利用被试脑中所产生的α波控制声音进行反馈。

α波反馈训练可使人处于α体验，是脑电生物反馈训练常用的方法。

（4）β波反馈训练(beta wave feedback training)
β波指频率范围在15-36赫兹的脑电信号。

当人精神紧张、情绪激动或亢奋时容易出现此波，当人从睡梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。

β波反馈训练指将β波的脑电信号通过视听方式反馈给被试，以达到增加或减少β活动的反馈训练方法。

通过β波反馈训练，使β波抑制θ波，可以使被试形成牢固的操作性条件反射，从而增强注意力。

在临床上可用于注意力缺陷多动障碍(ADHD)患者的治疗，使其延长注意集中的时间，减少多动倾向。

3.2 外周反馈训练原理
（1）心率变异性反馈训练（heart rate variability feedback training）心率变异性指逐次心动周期之间差异的变化。

由于心跳快慢是由两个相邻的R-R间期时间长短决定的，因此，研究者们由R-R间期的变化计算出一系列参数，这些参数分为时域和频域两个部分[3]。

其中常用的时域指标有正常心跳间期标准差（standard deviation of NN intervals,SDNN）和相邻心跳间期差的均方根（root mean square of successive difference，RMSSD）；常用的频域指标有高频段功率标化值（%HF）、低频段功率标化值（%LF）和低频高频比（LF/HF）。

心率变异性是反映交感-副交感神经张力及其平衡的重要指标。

一旦交感与迷走神经的协调作用失衡，使心血管功能紊乱时，可能导致严重的心律失常。

因此，心率变异性可以评估自主神经对心血管的调控作用并反映心脏活动正常与否。

具体来讲，高频是由迷走神经单独介导，低频受迷走和交感神经共同调制，但主要受交感神经的影响[4-6]。

心率变异性反馈训练指把逐次心跳波动以数值的形式呈现给被试，具体表现为时域指标和频域指标。

被试根据反馈信号，可用放松、想象等手段对心率变异性的变化进行随意控制。

研究发现，当低频成分增加、高频成分减少，两者成负相关关系时，两者的变动与交感-副交感平衡相一致，因此可以通过心率变异性反馈单独调节低频功率或高频功率，找到一个合适的LF/HF值, 从而定量地调节交感神经系统和副交感神经系统的平衡，为临床保健、疾病治疗提供理论依据。

（2）皮电反馈训练（galvanic skin response feedback training）
皮电指皮肤上两个选定点之间的电流通过量或电阻值[1]。

一般认为，皮肤电活动是由汗腺活动产生的，所以又称汗腺电位。

测量皮肤电活动有两种方法：一种是费利的借助于外加电源的方法，这种方法所测得的是两个电极之间皮肤电阻的变化，常用EDR（F）表示；另一种是塔尔察诺夫的方法，这种方法所测量的是皮肤的电位变化，常用EDR（T）表示。

常用皮电指标有皮电平均值（Mean）和皮电标准差（StdDEV）。

皮电反馈训练指将被试的皮电活动呈现给本人的一种反馈训练方法。

一般有两种，一种反映的是被试皮肤电阻水平和电阻反应，另一种反映的是被试电位水平和电位反应。

皮电反馈常用来降低人的唤醒水平，促进放松，或作为治疗心理疾病的辅助手段。

（3）呼吸反馈训练（respiratory feedback training）
呼吸指在分子态氧的参与下，有机物被分解成二氧化碳、水、氨等无机物，以ATP的形式向生物体供给能量，包括吸气和呼气两个过程。

正常成人安静时呼吸次数为16-20次/分，每次吸入和呼出的气体量大约为500毫升，称为潮气量。

呼吸反馈训练是把被试的呼吸情况以呼吸曲线或吸气量的方式提供给本人，让其根据反馈信号对自己呼吸过程进行调节的一种反馈训练方法。

呼吸反馈可以训练被试学习腹式或其它方式的呼吸，并能有效减少哮喘发作。

（4）心率反馈训练（heart rate feedback training）
心率指心脏搏动的频率，即心脏每分钟跳动的次数。

健康成人在清醒、安静的状态下的心率为每分钟60到100次，多数为70到80次。

剧烈活动时，心率可达到每分钟160次以上，而
睡眠时可降至40到50次。

交感神经系统与副交感神经系统共同影响心脏活动，前者使心率加速，后者使心率减慢[2]。

心率反馈训练指把被试心率变化的情况提供给本人, 以便被试据此改变自己的心率快慢。

心率反馈训练的做法有多种[8]。

第一种做法是，让被试猜测其心率快慢，若猜测正确则予以肯定；第二种做法是，要求被试每当心率加快或减慢时按压电键；第三种做法是，要求被试根据心率模拟量的大小控制自己的心率。

心率反馈训练可以用来改变患者心脏活动的快慢，使病人应付应激情况，保持心率正常。

4 SMR波反馈训练
4.1 训练目的
通过脑电生物反馈训练，了解训练的基本原理和方法，熟悉大致流程，理解不同种类的脑电生物反馈训练的应用。

重点学会如何进行感觉－运动节律（SMR）的训练，数据的收集和分析，并评价脑电反馈训练的效果。

预期猴子摘果训练、虫子赛跑训练阶段的SMR波水平大于阈值，且随着训练次数的增加，SMR波水平也会升高。

SMR波主要反映人注意时的脑电活动。

4.2 训练方法
4.2.1 被试介绍
被试共15名，平均年龄23岁，均为在校大学生。

其中选取四名被试做个案分析，分别是顾国军（男）、刘俊（女）、汪冠楠（女）、王玉娥（女）。

所有被试均身心健康，无不良病史。

4.2.2 训练程序
（1）正式训练前
本实验脑电通道的具体设置如图3。

具体安放位置：1号通道——F3；2号通道——F4；3号通道——C3；4号通道——C4；5号通道——Pz；6号通道——Cz；7号通道——P3；8号通道——P4。

图3 单极脑电电极安装示意图
地极放在前额正中位置，即FPz 点。

参考电极采用的是平均参考电极，将头皮上各探查电极都分别连上一个一定阻值如1M Ω的电阻，并将这些电阻的另一端连接在一起成为一个点，这个点就是平均电位参考点，即平均参考电极。

各电极分别与这个平均参考电极组成的导联，就叫平均参考导联组合。

生物反馈仪的平均参考电极已有内部设置，通过相关操作面板的操作即可自动形成平均参考电极和平均参考导联组合[9]。

主试先将电极帽带在被试头上（图4A ），接着把8道电极分别连接电极帽（图4B ），然后向电极处注入导电膏（图4C ）。

前期准备完毕，主试指导被试以比较舒适的姿势坐在椅子上，保持放松状态。

同时告知被试：XX 你好，欢迎接受SMR 波反馈训练。

本训练分三步，第一步测定基线，第二步猴子摘果训练，第三步虫子赛跑训练。

（2）正式训练
第一步 测定基线，时间5分钟。

指导语：测定基线时，请你以比较舒服的姿势坐在椅子上，双手自然地放在腿上，保持平常的呼吸状态。

主试取电极CZ 点SMR 波、θ波、β波各基线值作为阈值。

第二步 猴子摘果训练（图5），分两次，每次均5分钟。

指导语：猴子摘果训练时，请你注意屏幕上条形图和猴子的变化，条形图反映了此时你脑电信号SMR 波和θ波的波动情况，当SMR 波水平达到阈值以上时，猴子将快速地摘到果子。

请根据反馈信号，尽量让猴子在最短的时间摘到最多的果子。

图5 猴子摘果训练示意图
第三步虫子赛跑训练（图6），分两次，每次均5分钟。

指导语：虫子赛跑训练时，请你注意屏幕上条形图和虫子的变化，条形图反映了此时你脑电信号SMR波、θ波和β波的波动情况，当SMR波水平达到阈值以上时，绿虫子将快速地前进。

同理，当θ波水平达到阈值以上时，红虫子将快速地前进，当β波水平达到阈值以上时，黄虫子将快速地前进。

请根据
反馈信号，尽量让绿虫子跑在最前面。

图6 虫子赛跑训练示意图
（3）正式训练后
主试给被试卸下实验装置，并表示感谢。

然后被试和主试填写“中枢反馈信息采集表”
（见附录Ⅰ）。

4.3 训练总结
本实验以SMR作为主要的训练对象，通过让被试完成猴子摘果和虫子赛跑两个任务，将被试SMR能量水平的变化以特定的视听信号加以反馈，逐步训练被试学会自主调控自身SMR脑波能量水平。

通过对被试的个案分析，发现有三种主要的效果类型。

一是对单次训练而言，效果比较显著，表现为SMR在训练中水平比阈值增高，但综合多次训练来看，SMR呈逐渐降低趋势，表明效果在长时间稳定性上不理想。

（见SMR波反馈训练4例个案分析-个案1：顾国军）第二种效果类型是从多次训练来看，基线水平表现为不断升高的趋势，说明训练效果比较显著，但只看单次训练的话，则发现SMR在训练中水平比阈值降低，效果不理想。

（见SMR波反馈训练4例个案分析-个案4：王玉娥）
第三种效果类型介于以上两者之间，从多次训练来看，训练效果虽没有第二种显著，但仍算比较好；从单次训练来看，效果虽没有第一种显著，但仍算比较好。

该类型可以看作是中间类型。

（见SMR波反馈训练4例个案分析-个案3：汪冠楠）
由于对SMR波的生物反馈训练仍处于探索阶段，不可避免遇到多个方面的问题，比如主试对生物反馈原理理解不深，指导语过于粗糙，被试的精神状态不能够很好的进行监测等等，这都需要我们在以后的摸索中不断改进，以进一步完善SMR波反馈训练实验指导。

5 心率变异性反馈训练
5.1 训练目的
预期条形图、呼吸器训练阶段的SDNN大于阈值，且随着训练次数的增加，SDNN也会升高。

SDNN主要反映交感和副交感神经总的张力大小，可评价心脏自主神经系统总的调控情况。

预期条形图、呼吸器训练阶段的RMSSD大于阈值，且随着训练次数的增加，RMSSD也会升高。

RMSSD相当于频域中的高频成分，是迷走神经活动强弱的指标。

预期条形图、呼吸器训练阶段的%LF大于阈值，且随着训练次数的增加，被试逐渐熟练腹式呼吸法，%LF应呈现升高趋势。

%LF主要反映交感神经活动的情况。

预期条形图、呼吸器训练阶段的%HF小于阈值，且随着训练次数的增加，被试逐渐熟练腹式呼吸法，%HF应呈现降低趋势。

%HF反映迷走神经活动的情况。

预期条形图、呼吸器训练阶段的LF/HF大于阈值，且随着训练次数的增加，LF/HF也会升高。

LF/HF主要反映交感神经和副交感神经活动的均衡性。

5.2 训练方法
5.2.1 被试介绍
被试共17名，平均年龄22岁，均为在校大学生。

其中选取八名被试做个案分析，分别是崔德薇（女）、蔡圆圆（女）、顾丹（女）、吕天旻（男）、钮麟婷（女）、孙长安（男）、王琰（女）、赵立利（女）。

所有被试均身心健康，无不良病史。

5.2.2 训练程序
（1）正式训练前
主试将呼吸传感器安放在被试腹部（图7）、脉搏血容积传感器安放在被试利手大拇指上（图8）。

图7 呼吸传感器安放示意图
图8 脉搏血容积传感器安放示意图
安放完毕，主试指导被试以比较舒适的姿势坐在椅子上，保持放松状态。

同时告知被试：XX你好，欢迎接受心率变异性反馈训练。

本训练分三步，第一步测定基线，第二步条形图训练，第三步呼吸器训练。

（2）正式训练
第一步测定基线，时间5分钟。

指导语：测定基线时，请你以比较舒服的姿势坐在椅
子上，双手自然地放在腿上，保持平常的呼吸状态。

第二步条形图训练（图9），时间5分钟。

指导语：条形图训练时，请你使用腹式呼吸法进行呼吸。

注意屏幕上条形图的变化，它反映了此时你的心率变异性的波动情况。

请根据该反馈信息，有意识控制自己，使心率变异性升高。

图9 条形图训练屏
第三步呼吸器训练（图10），时间5分钟。

指导语：呼吸器训练时，请你注视呼吸器，当绿条部分上升时保持吸气状态；当绿条部分下降时保持呼气状态。

注意屏幕上心率变异性的波动情况。

请根据该反馈信息，有意识控制自己，使心率变异性升高。

图10 呼吸器训练屏
（3）正式训练后
主试给被试卸下实验装置，并表示感谢。

然后被试和主试填写“外周反馈信息采集表”
（见附录Ⅱ）。

5.3 训练总结
心率变异性反馈训练让被试根据接收到的视听信号，对自身内部自主运动进行调控，以期达到提高心率变异性的目的。

心率变异性与自主神经系统关系密切。

自主神经包括交感、副交感神经两种，二者拮抗调节呼吸、心率、血压等生理变化[10]。

交感神经系统供能，使呼吸加快、心率加快、心输出量增加、外周血管阻力增加、血压升高；副交感神经系统储量，使呼吸减慢、心率减慢、心输出量减少、外周血管阻力减少、血压降低。

根据被试的个案分析，结合前人研究，可以初步得到HRV指标与自主神经的定性关系[11]。

TP与心率变异性成正比，整体反映自主神经活动性；LF与血压有关，反映血压通过压力感受器反射，经心脏迷走神经与β-交感神经传出纤维传导的神经冲动作用于窦房结引起的心率变化，受交感、迷走神经双重调制，主要反映交感神经调制；HF与呼吸有关，反映呼吸活动通过迷走神经的调制作用引起的心率变化，受迷走神经调制；LF/HF是反映心脏迷走-交感神经均衡性的定量指标。

至于HRV与自主神经的定量关系，可以进行推论：交感神经张力增大预示TP减小、LF增大、HF减小、LF/HF增大；交感神经张力减小预示TP增大、LF减小、HF增大、LF/HF减小；迷走神经张力增大预示TP增大、LF减小、HF增大、LF/HF 减小；迷走神经张力减小预示TP减小、LF增大、HF减小、LF/HF增大。

当然，这一定量关系只是初步假设，需要进一步的实证研究进行检验。

总体来看，被试通过进行腹式呼吸，大部分能够有效的提高心率变异性，当然有个别被试由于腹式呼吸不充分，训练效果不明显，这说明个体差异是衡量心率变异性反馈训练效果时需要考虑的因素。

最后，简单说明一下在呼吸器训练中，为什么将呼吸频率定为6次/分？这是因为呼吸频率在10-60次/分时，由于交感紧张，HRV明显减小，此时HRV主要受呼吸波影响。

呼吸频率降低6-8次/分时，由于迷走紧张，HRV明显增大，此时HRV主要受血压波影响。

当呼吸频率一定时，血压变动虽然可引起RR间期随舒张压线性变化，但HRV的HF却无明显改变。

另外血压波频率为0.1HZ，当呼吸频率为6次/分时，呼吸波与血压波达到共振。

因此，在呼吸器训练中，将呼吸频率定为6次/分，使结果能真正反映出被试固有的自主神经活动情况。

6 皮电反馈训练
6.1 训练目的
预期荷花训练阶段的Mean小于阈值，且随着训练次数的增加，Mean也会降低。

Mean反映皮电的总体水平。

预期荷花训练阶段的StdDev小于阈值，且随着训练次数的增加，StdDev也会降低。

StdDev 反映皮电的波动水平。

6.2 训练方法
6.2.1 被试介绍
被试共17名，平均年龄22岁，均为在校大学生。

其中选取六名被试做个案分析，崔德薇（女）、蔡圆圆（女）、顾丹（女）、吕天旻（男）、钮麟婷（女）、王琰（女）。

所有被试均身心健康，无不良病史。

6.2.2 训练程序
（1）正式训练前
主试将两个皮电电极分别安放在被试利手食指和无名指上（图11）。

图11 皮电电极安放示意图
安放完毕，主试指导被试以比较舒适的姿势坐在椅子上，保持放松状态。

同时告知被试：XX你好，欢迎接受皮电反馈训练。

本训练分两步，第一步测定基线，第二步荷花训练。

（2）正式训练
第一步测定基线，时间3分钟。

指导语：测定基线时，请你以比较舒服的姿势坐在椅子上，双手自然地放在腿上，保持平常的呼吸状态。

主试以皮电平均值为基线值，在此值基础上降低百分之十作为阈值。

第二步荷花训练（图12），时间5分钟。

指导语：荷花训练时，请你尽量保持放松状态，使皮电水平降到阈值以下，此时荷花会呈现慢慢开放状态。

图12 荷花训练屏
（3）正式训练后
主试给被试卸下实验装置，并表示感谢。

然后被试和主试填写“外周反馈信息采集表”（见附录Ⅱ）。

6.3 训练总结
皮电反馈训练通过让被试接收由皮电信号变化转换来的视听反馈信号，自行调节自身内在的生理活动，以降低皮电为训练目的。

在训练中发现，被试的情绪对皮电影响很大，特别是紧张、恐惧或焦虑情况下。

当一个人紧张时，汗腺分泌会增加，皮肤表面汗液随之增多，引起皮肤导电性增加，从而使皮电升高，因此，皮电的高低可以反映情绪的变化情况。

这提示皮电反馈可以结合情绪研究进行训练，从而更具有现实意义。

总体来看，被试在荷花训练中个人表现差异比较大，有些被试可以轻松的使皮电降下来，从而使荷花盛开，而有些被试则不太成功，事后反映训练中情绪紧张度增大，不能有效的控制皮电活动。

这说明皮电是一个敏感性比较高、个体差异比较大的生理指标。

当然，皮电本身的性质决定了皮电反馈训练的困难，但这不能作为掩盖训练程序存在缺陷的借口。

一个明显的问题是主试在皮电训练中缺乏主动性，只是单纯的记录时间、开始结束时做标记等等，对被试在训练中的表现波动缺乏及时反馈。

对主试在皮电反馈训练中的作用，是我们以后需要深思的问题。

7 总结
生物反馈作为一种新的治疗方法，有巨大的应用前景。

但由于其历史短暂，目前还尚未形成一套系统、完整的理论。

因此，对生物反馈的研究，既有巨大的实用价值，而有重要的理论价值。

鉴于目前生物反馈训练还缺乏系统科学的实验规范，我们探索性地针对SMR波、心率变异性、皮电等生理指标进行了反馈训练，取得了大量第一手资料。

在对被试进行个案分析的基础上，我们对训练效果提出了一定的评价标准，并初步形成了一套适当有效的生物反馈训练程序。

将生物反馈训练课程化，是我们今后努力的方向，这将为提高应用心理学专业学生的学科素养做出一定的贡献。

因此，目前当务之急是形成系统、规范的神经生物反馈的实验系列，从而可以有效地指导本科生进行生物反馈方面的学习。