【脑电黑科技】用耳朵戴的 "隐形大脑记录仪"，揭秘日常生活中的听觉注意力
为什么需要研究日常生活中的听觉注意力？
想象一个场景：你正在高速公路上开车，导航提示音突然响起，但你却没注意到。这种现象被称为 "注意性耳聋"，可能导致严重后果。传统实验室研究发现，当大脑专注于复杂任务时，对听觉信号的敏感度会下降。然而，实验室环境无法完全模拟现实中的动态干扰 —— 我们每天要在咖啡杯碰撞声、键盘敲击声、同事交谈声中做出反应。
在德国奥尔登堡大学团队的这项研究中，首次使用移动耳戴式脑电图（ear-EEG）实现了6 小时日常办公环境下的连续监测，为我们揭开了动态环境中听觉认知的神秘面纱。
摘要
大多数关于听觉感知的研究是在受控实验室环境中进行的，这可能限制了其对实验室外复杂声学环境的普适性。本研究则采用完全移动的、基于智能手机的耳戴式脑电图（EEG）设备，在实验室外进行了超过 6 小时的长期记录，以最小化对参与者的限制来研究听觉注意力。12 名参与者完成了两种变体的 oddball 任务迭代：他们需要对目标音做出反应，并忽略标准音。快速变体任务（每 2 秒呈现一次音调，总时长 5 分钟）在早晨、中午和下午在受控条件下坐姿全神贯注完成；零星变体任务（每分钟呈现一次音调，总时长 160 分钟）则在早晚各进行一次，参与者正常进行办公室日常活动。研究同步记录并分析了脑电数据、行为数据（反应时 / 正确率）和运动数据（通过陀螺仪）。结果显示，无论是快速还是零星 oddball 任务，目标音均引发了预期的 P3 成分振幅增强。与零星任务相比，快速任务的漏报率更低且反应时更快。运动数据表明参与者在办公室的大部分时间处于相对静止状态。本研究首次证明了使用长期耳戴式 EEG 研究日常生活中听觉感知的可行性。
实验方法
01
参与者
研究招募了 12 名健康志愿者（7 女 5 男），最终 8 人有效（6 女 2 男）纳入分析，年龄范围 24-39 岁。
02
双任务设计——实验室与现实的桥梁
① 快速 oddball 任务（实验室/办公室场景）
要求参与者在受控环境下全神贯注完成，刺激间隔 500-900ms（平均 9 个目标 / 分钟），每次持续 5 分钟，分别于早、中、晚各执行一次。
② 零星 oddball 任务(真实办公场景)
刺激间隔约 56,200-61,200ms （平均 1 个目标 / 3.3 分钟），融入日常工作如打字、会议、午餐等，早晚各持续 160 分钟。
图 1. 实验装置与流程示意图。a) 脑电信号通过 cEEGrid 耳戴式电极采集，放大器固定于颈挂式耳机（兼作扬声器），智能手机控制刺激呈现并存储数据。b) 实验分为五个模块：模块 1、3、5 为快速 Oddball 任务（各 5 分钟，刺激间隔 500-900 毫秒），参与者分别在实验室（模块 1、5）和办公室（模块 3）静坐完成；模块 2、4 为零星 Oddball 任务（各 160 分钟，刺激间隔约 1 分钟），参与者可正常进行办公室活动。数据记录持续约上午 9 点至下午 3 点
03
实验装备——藏在耳朵里的“隐形”实验室
脑电采集系统采用 cEEGrid 柔性耳戴式电极（每侧 10 个 Ag/AgCl 电极），配合 SMARTING 24 通道放大器,采样率 250Hz (Serbia, mBrainTrain，南京尖创科技有限公司为该设备代理商），集成 3D 陀螺仪监测运动位移。信号通过蓝牙传输至索尼 Xperia Z3 Compact 智能手机，使用定制防误触系统（禁用物理按键 + 智能窗口盖）确保数据稳定。
刺激呈现与行为记录由 Presentation 软件控制，通过颈挂式耳机（开放耳道设计）呈现声音，同步记录触控应答数据。设备续航通过 2500mAh 充电宝支持，确保 6.5 小时连续运行。
数据同步采用 LSL 框架，实现刺激 - 行为 - 脑电信号毫秒级对齐，存储为 XDF 格式文件。
04
实验流程
设备佩戴包括耳部皮肤清洁、导电凝胶涂抹和 cEEGrid 固定，颈挂式耳机置于锁骨位置，智能手机固定于非惯用手小臂。
实验时序分为快速任务（09:00、12:00、15:00 各 5 分钟）和零星任务（09:10-11:50、13:30-16:10）。每次任务前进行 1 分钟校准（注视固定十字）和 3 分钟练习，零星任务中途强制休息 1 分钟（闭眼静息）。
任务执行时，快速任务要求坐姿专注应答，零星任务允许参与者正常办公（如打字、会议、午餐），但需避免危险动作（如持热饮）。
图 2. 完整实验装置示意图
05
数据分析
预处理流程包括 0.1-10Hz 带通滤波、ASR 伪影去除、坏通道检测与球面插值，随后分段提取 - 200~800ms 信号并进行基线校正。
运动分析通过三维加速度合成计算位移，基于实验室数据设定静止阈值（中位数 + 4×IQR），划分相对静止、轻度运动和显著运动状态。
统计方法采用 GLMM 广义线性混合模型分析行为数据（反应时：逆高斯分布；正确率：二项分布），LMM 线性混合模型评估脑电 P3 波差异（垂直双极通道 R2-R3 vs R6-R7，快速任务 212-412ms，零星任务 284-484ms）。
实验结果
01
行为学结果：一心二用的代价
① 快速任务表现
平均反应时：1.09 秒（标准差 0.06）
漏报率：3.5%（标准差 4.3）
解读：专注状态下，大脑能高效处理目标刺激
② 零星任务表现
反应时延长 0.83 秒（p<0.001）
漏报率升至 10.4%（p<0.01）
特殊时段：午餐期间漏报率高达 25%（因环境噪音干扰）
图 3. a 各实验块平均反应时间。b 各实验块平均漏报率
02
脑电信号：P3 成分的 "注意力指纹"
① 经典 P3 波：目标刺激在 250-500ms 引发显著正向波（图 4）
快速任务：P3 振幅增加 1.75μV（SE=0.31）
零星任务：P3 振幅增加 1.20μV（SE=0.33）
统计：均达到 p<0.001 显著性水平
② 关键发现
即使在分心状态，大脑仍能识别重要声音
标准刺激在零星任务中也出现微弱 P3 波，提示认知评估需求增加
图 4. 垂直双极通道的总平均 ERP 波形。a 快速 Oddball 任务；b 零星 Oddball 任务
03
运动数据：动态环境中的 "静止时刻"
① 位移阈值
基于实验室数据设定，位移 < 14 单位视为 "相对静止"
② 时间分布
75% 时间处于静止状态（包括电脑工作、会议）
显著运动时段：午餐往返（13:00-13:45），短暂起身活动（平均每小时 3 次）
图 5. a 各实验块位移分布。显示每个百分位数的位移值，位移越大表示运动越多。b 运动数据时间进程
讨论
1. 行为学结果的双重任务启示
研究发现，参与者在零星任务中的反应时延长 0.83 秒且漏报率增加 6.9%，这与双重任务范式的经典理论一致 —— 当大脑同时处理主要任务（办公）和次要任务（听觉检测）时，资源竞争导致认知绩效下降。值得注意的是，午餐时段漏报率激增 25%，反映了现实场景中突发环境干扰（如食堂噪音）对注意力分配的显著影响。这一结果提示，未来研究需结合环境传感器数据（如声级计）进行多因素分析。
2. 脑电信号的生态效度验证
P3 波在两种任务中的显著差异证实了耳戴式 EEG 在复杂环境中的有效性。值得关注的是，标准刺激在零星任务中出现微弱 P3 反应（1.63μV），这可能是因为长时间间隔削弱了经典 Oddball 任务中的习惯化效应，导致每个刺激都需要重新进行认知评估。这一发现挑战了传统实验室研究的假设 —— 即高频重复刺激能自动引发注意捕获，而现实场景中偶发声音的识别可能依赖更主动的记忆比较过程。
3. 运动数据的方法论意义
陀螺仪监测显示，参与者 75% 时间处于相对静止状态（位移 <14 单位），这为移动脑电研究提供了关键依据：即使在开放环境中，仍可获取高质量数据。值得注意的是，显著运动时段（如午餐往返）的位移值（均值 22 单位）仍低于传统实验室设定的伪影阈值（通常> 50 单位），这表明通过合理设计实验流程（如强制休息），可有效规避运动干扰。
总结
研究首次实现了 6 小时连续耳戴式 EEG 记录，验证了 cEEGrid 的长期稳定性。研究结果证实，利用移动耳电技术开展长期听觉注意力研究具有可行性，彰显了实验室外实验的巨大潜力。本研究系统探讨了将经典实验室范式迁移至现实场景时面临的技术、流程及方法学挑战，为深入理解日常情境下的听觉感知机制奠定了基础。
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