脑电与情绪

 

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情绪定义与情绪表示

情绪是对一系列的主观认知经验的通称，它包括人对外界刺激或自身刺激的心理反应，以及其伴随的生理反应。美国心理学家William James以及丹麦生理学家Carl Lange先后于1884年和1885年提出了情绪的定义，这就是著名的James-Lange theory, 该理论认为情绪是植物性神经系活动的必然产物。而生理心理学家Walter BradfordCannon对上述的理论提出了质疑，并提出了中枢神经系统的丘脑是真正影响到情绪变化的中心系统。经过Cannon的学生菲利普.巴德的研究和扩展，形成了Cannon-巴德情绪理论。在20世纪60年代，S.Schachter andJ.Singer通过实验之处，情绪其实是周边环境状态和个体的生理状态相结合以后通过大脑处理后展现出来的结果，该理论被称为S.Schachter-J.Singer 理论。心理学家Richard StanleyLazarus指出，情绪本质是个体对自己周围环境事物的感知反应，是人与环境交互得到的结果。

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情绪分类

情绪不管在个体自身还是在个体与他人之间、个体与社会生活之间都有着非常重大的作用，因而情绪识别的研究不论在理论上还是实际应用中都有着极为重要的意义。正确的情绪表征是情绪识别研究的关键步骤。对于情绪表征，许多研究者提出了相应的情绪表征方法，主要有以下几类：

（1）将情绪分类表示，称为离散模型理论。该理论认为复杂的情绪是由基本情绪的组合而成。Plutchik等人提出了八种基本情绪：愤怒，恐惧，期待，悲伤，厌恶，惊讶，接受和欢乐，并认为其他复杂情绪都可以由这些基本情绪的组合形成。

（2）从维度角度来表征情绪，称为连续模型理论。该理论将情绪映射到情绪向性(valence，部分研究称愉悦程度，pleasure）、唤起程度（arousal）、优势程度（dominance）的V-A-D三维模型中，用多维连续变量表征情绪。连续模型的表征方式能够将情绪向量化，具有较好的可扩展性。这种模型在近些年来越来越占据情感计算的主导地位。

脑电图与情绪

脑电图（EEG）是一种医学成像技术，可以测量由大脑产生的头皮电活动，即测量并按时间顺序记录头皮表层由大脑中祌经元内的离子电流引起的电位波动。研究表明，人的认知行为和心理活动与脑电信号具有较强的相关性。成人脑电信号的电压大约为10到100微伏。脑电采集的信号通过离散傅里叶变换（Discrete FourierTransform，DFT），快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）等算法转换到频域后包含连续的频谱信号，将这些信号按频率分为5个频段(frequencybands): delta(1-4Hz)、theta(4-7Hz)、alpha(8-13Hz)、beta(13-30Hz)、gamma(30-47Hz) 。

delta频率范围通常小于4Hz。研究表明该范围的脑电信号通常出现在婴幼儿阶段或智力发育不成熟，或者成人在疲劳和深度睡眠阶段。

theta频率范围约为4-7Hz。在青少年(10岁至17岁)中该范围的脑电信号出现较多，当成人处于精神放松或浅度睡眠也有可能出现该频带信号，常出现在额叶；在成人在有抑郁情绪或者精神病患者中，该频率波也极为明显，常出现在颞顶叶。

alpha频率范围约为8-13Hz。该范围信号通常在人处于安静、清醒，闭目养神状态下时出现在枕叶，睁眼或受到其他外部刺激时，alpha波会消失。

beta波频率范围约为13-30Hz，是人类逻辑分析等主要脑电成分，主要集中在大脑额叶。当人处于清醒或者精神紧张、情绪激动时，大脑容易产生该频段信号。

gamma波频率范围约为30-47Hz，是脑电信号中频率最高的成分。当人专注于某一事物时或处于警觉时，容易产生gamma波。图1为不同频段的脑电信号。

图1不同频段的脑电信号波形图，引自[7]

大脑的生理活动可以直观反应个体的情绪活动。Cacioppo等人的研究指出情绪变化会导致生理变化，分别是面部肌肉运动、大脑活动（Electroencephalograph,EEG）以及自主神经系统活动（Autonomic nervous system, ANS）。大脑的左前区与快乐、生气这些趋近性的情绪有关，而大脑右前区则与伤心、害怕这些回避式的情绪有关。Giakoumis等人利用生理信号提取特征并识别受试者在玩视频游戏时产生的厌倦情绪，从而可以评估游戏的吸引力。Chanel等人通过让受试者玩俄罗斯方块游戏，来获取受试者的表现和反馈，对受试者的情绪进行研究。在Bateman等人根据情感的激发点和大脑活动区域之间的关联，提出了BrainHex游戏玩家分类模型。

参考

[1] Dan N . A Survey on EEG BasedEmotion Recognition>[J]. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2012.

[2] JAMES, WILLIAM. II.—WHAT IS ANEMOTION ?>[J]. Mind, os-IX(34):188-205.

[3] Cannon W B . The James-Langetheory of emotion: A critical examination and an alternative theory.>[M]//The economic theory of invention and innovation /. Edward Elgar, 1927.

[4] Plutchik R . The Nature ofEmotions: Human emotions have deep evolutionary roots, a fact that may explaintheir complexity and provide tools for clinical practice[J]. AmericanScientist, 2001, 89(4):344-350.

[5]Schlosberg, Harold. Three dimensions ofemotion.[J]. Psychological Review, 61(2):81-88.

[6] Russell J A , Mehrabian A .Evidence for a Three-Factor Theory of Emotions[J]. Journal of Research inPersonality, 1977, 11(3):273-294.

[7] Alarcao S M , Fonseca M J .Emotions Recognition Using EEG Signals: A Survey>[J]. IEEE Transactions onAffective Computing, 2017:1-1.

[8] Ullsperger M , Fischer A G ,Nigbur R , et al. Neural mechanisms and temporal dynamics of performancemonitoring[J]. Trends in Cognitive Sciences, 2014, 18(5):259-267.

[9] Cacioppo J T, Klein D J,Berntson G G, et al. The psychophysiology of emotion.[M]// The handbook ofemotion. 2003.

GiakoumisD , Tzovaras D , Moustakas K , et al. Automatic Recognition of Boredom in VideoGames Using Novel Biosignal Moment-Based Features>[J]. IEEE Transactions onAffective Computing, 2011, 2(3):119-133.

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