分析方法

腦神經認知科學的探討中，大多將腦波的分析方法分為時間域、空間域和頻 率域：

（一）時間域的特徵分析

當感官受到外界刺激時，腦電波會產生相應的電位變化，此類的電位變化往 往是很微弱的，而產生的時間點往往是在接受外界刺激前後的數百毫秒，此類時 間域上的特徵，稱為事件關聯電位（ERP，Event relative potential）。事件關 聯電位指的是當受到外加的刺激，作用於感覺系統或腦的某一部位時，在大腦所 引起的電位變化。其優勢是具有很高的時間域分辨率（毫秒），可與傳統的心理 學指標相互比較、配合，進而進行關於認知過程的研究。

近年來，許多研究在評估受試者面臨不同工作記憶或認知負荷作業時的腦波 差異時，便經常使用大腦神經細胞所產生的事件關聯電位(ERP)搭配與工作記憶 相關的標準化測驗來分析，如：n-back實驗、魏氏智力量表或是語文工作測驗(曾 世杰，2006)等。

如Anne-Marie Brouwer 等人（2012）透過 EEG 的頻譜及 ERP 分析方法來觀 察 n-back 實驗時的工作記憶，他們針對正確率及反應時間進行探討，並發現受 試者答題的「正確率」會隨著難度的提升而降低，「錯誤率」隨難度提升而提高；

「反應時間」則是隨難度提升而增長，而這三個部分的結果彼此在統計上都達到 顯著的差異。因此，這樣的研究結果可反映出：利用 EEG 頻譜能量搭配 ERP 分析 方法來評估工作記憶是可行的，因為隨著任務難度提升，工作記憶會增加而且任 務績效會降低(Brouwer et al., 2012)。

30

（二）空間域的特徵分析

由於大腦認知科學是在研究腦的各部分結構和功能，因此，了解這些部份如 何參與腦的整體工作是很重要的，且分析大腦執行各類工作（如：記憶、演講等）

時的「能量分布」與負荷的差異性，同樣是認知科學研究的重點。

（三）頻率域的特徵分析

腦電波是由許多不同頻段的電訊號組成，在不同的精神或工作狀態下，大腦 會出現以不同頻帶為主的腦電波，大致上主要探討的頻段可分為 Alpha（α)、

Beta（β)、Theta（θ)及 Delta（δ)：

（1） α波－俗稱輕鬆腦波，根據腦波儀與臨床生理學會國際聯盟

(International FederationofSocieties for Electroencephalography and ClinicalNeurophysiology)的定義：Alpha(α)波主要和放鬆的心理 狀態連結。因此，相關研究幾乎是有相關於睡眠的研究。人在身體放鬆、

專注、平靜的狀態下，身心耗能較少，腦部相對地所獲得的能量較高。

（2） β波－俗稱緊張腦波。此波頻率為14Hz 以上，一般很少高於50Hz。人在 備戰狀態，準備隨時因應外在環境時，β波便會增加。一般人日常生活中，

大部分是處在這種狀態，清醒及警覺時尤其明顯，也是邏輯思考、計算、

推理時需要的波，屬於「意識層面」的波，在頂葉部及額葉會較明顯。由 於大腦能量除了要維持本身系統身體運作外，還要準備防禦，因而消減的 體內的免疫系統能力。在此狀態下，人的身心能量耗費較劇，如果事後沒 有充分放鬆、充電回補，非常容易累積壓力。

（3） θ 波－俗稱打盹腦波，此波頻率介於 4-8 Hz，出現在深睡做夢或深度冥

31

想時特別明顯，屬於「潛意識層面」的波。這時身體深層放鬆、意識靜止，

是一種高層次的精神狀態。這時腦內會分泌大量的荷爾蒙，可修補生理大 腦機能。目前 Theta 波的相關研究大多在於探討認知過程及與短期記憶鏈 結的機制，θ 波與腦部邊緣系統有非常直接 的關係，對於觸發深層記憶、

強化長期記憶（LTP）等幫助極大，所以，在科學界稱 θ 波為「通往記憶 與學習的閘門」。

（4） δ波－此波頻率介於0.5-4 Hz，出現在熟睡中，人是在無意識的狀態，在 嬰兒睡眠中及以及有嚴重器官性疾病的患者身上尤其明顯，主要出現在兒 童的枕葉部，及成人的額葉部。

小結

以上說明了三種常見的分析方法，而過去認知心理學研究曾嘗試分析受試者 面臨不同工作記憶或認知負荷作業時的腦波差異，但多半運用事件關聯電位來分 析(ERP)。然而，本研究希望能即時分析學習者在「學習歷程」中感受的認知負 荷，運用 ERP 分析是相當困難的。這是因為學習的歷程難以定義「事件」的定位 點，因此在腦波的分析上，我們更需要可以擷取「一段時間內的平均腦波」，而 非評估「某個時間點的腦波」。

考量上述原因，本研究在發展認知負荷相關的腦波演算法時，參考過去許多 學者提出 α 腦波與 θ 腦波與工作記憶的關係：

32

α腦波

在 1920 年代晚期，Hans Berger 為人類第一個使用腦電波的學者，而主要 的特徵為 alpha 波的振盪活動，雖然 α 波段是 EEG 及 MEG 常見的研究主題，但 他在認知過程中的實際作用還不是這麼明確，有學者提出 α 活動是在大腦放鬆 的準備階段(Adrian & Matthews, 1934; Pfurtscheller, Stancak, & Neuper, 1996)，而這樣的概念近期也受到工作記憶研究的質疑，學者提出 alpha 活動會 在工作記憶需求時增強(Jensen, Gelfand, Kounios, & Lisman, 2002; Klimesch, Doppelmayr, Schwaiger, Auinger, & Winkler, 1999)，Jensen 等人（2002）

提出在 Sternberg 實驗中，使用的刺激材料為人的臉孔，研究結果顯示 α 活動 會隨著記憶負荷而增加。

Krause et al.(1996)指出，α 波的活動強度隨著聽覺記憶量增加而增強。

同樣地，有些實驗結果顯示，隨著在短期記憶系統中的工作記憶量越來越高，後 腦與兩測中央處的 α 波強度也有系統地越來越強(Krause, Lang, Laine, Kuusisto, & Pörn, 1996)。α 波還可以近一步分為 slow-α 波(8~10 Hz)與 faster-α 波(10~12 Hz)，slow-α 波的強度會隨著實驗難度提高而減弱，同時 也隨著實驗時間，亦即工作時間的拉長而增強；slow-α 波的強度對實驗的刺激 物形式並不敏感，亦即 slow-α 波並不因刺激物型態不同而在強度上有顯著差異；

但 faster-α 波則會因實驗難度的提高，發生在空間辨認實驗其強度弱於字義辨 認實驗的情況，也就是說，faster-α 波的強度在高難度工作下，會隨著刺激物 型態的不同而有所變化(Gevins et al., 1997)。但 Klimesch et al. (1997)則 發現在進行有關語義的記憶過程時，faster-α 波的強度是呈現降低的現象，並 認為 faster-α 波是反應大腦從長期記憶系統中提取記憶的情況(Klimesch, Doppelmayr, Pachinger, & Ripper, 1997)。

33

另外，工作記憶與 α 波的活動有許多不同的解釋，其中一種解釋是 α 波活 動反應了後腦區的脫離及抑制(Cooper, Croft, Dominey, Burgess, & Gruzelier, 2003; Jensen et al., 2002; Klimesch, Doppelmayr, Roehm, Pöllhuber, &

Stadler, 2000; Vanni, Revonsuo, & Hari, 1997)，當工作記憶的需求增加時，

不需要用到的腦區就被解除，所以工作記憶負荷越大時，需要脫離的力量就越強，

α 波的能量也就隨之增強；另一個解釋則說明 α 波活動與工作記憶維持間的關 係，所需維持的項目越多，α 波的能量就越強。

Anil M. Tuladhar 等人（2007）利用 MEG 來記錄大腦的活動，搭配 Sternberg 實驗，並使用人臉作為刺激材料，結果顯示後腦區 α 波活動伴隨著記憶負荷提 升而增加，並藉由 MRI 觀察到 α 波來源定位於頂葉－枕葉附近的腦區域。

(Tuladhar et al., 2007)

θ 腦波

在 Theta(θ)波的相關研究發現，在記憶實驗中，當實驗操作與回憶實驗內 容之間有一段為期數秒以上的時間間隔時，前額「θ 波」反應出短期記憶中訊 息回憶的情形(Frisk & Milner, 1990)。

也有學者指出，θ波反應大腦在處理工作記憶時的狀態，當θ波的強度逐漸 增強時，就表示大腦處理短期記憶的負荷量也逐漸升高(Klimesch et al., 1997)。

就θ波產生反應的位置而言，也有學者表示在記憶實驗中，當大腦試圖去提取工 作記憶時，從「額葉到頂葉」所反映的電極群偵測到其所在的位置，「θ波」的 強度顯著地升高(Sarnthein, Petsche, Rappelsberger, Shaw, & Von Stein, 1998)。

Jensen,Claudia D. Tesche（2002）的研究中，使用「MEG」來測量工作記 憶，並對於「前額葉」的「θ波」進行觀察，研究結果顯示：（1）θ波段的能量

34

會隨工作記憶的提升而增加、且（2）當運用工作記憶瀏覽及記憶時，相關的θ 值會伴隨著出現，在記憶任務結束後，theta值便隨之下降，也就是說，θ波段 的能量在記憶期間會有持續性的活動(Jensen & Tesche, 2002)。

Gevins（1997）利用「EEG」進行與工作記憶相關的實驗，其研究結果顯示：

當實驗難度提高時，「前額θ波」的強度也隨之升高，而此時前額θ波對於實驗 中刺激物所傳遞的資訊形式並不敏感，也就是說前額θ波不因刺激物的資訊型態 改變而在強度上有顯著變化；而當實驗的操作時間拉長後，受試者即使在之前的 實驗已經歷過多次的練習與操作，前額葉θ波的強度仍然呈現上升的現象 (Gevins et al., 1997)。

除此之外，在有關記憶階層的研究中，有學者提到當受使者正試圖從長期記 憶系統(LTMS)中提取記憶時，會激發θ從額葉散播往頂葉；而當記憶已從長期記 憶系統中被提取後，θ波則以相反的方向行進，即從頂葉往額葉的方向散播 (Sauseng et al., 2002)。

由於另有許多相關研究指出額葉區的 θ 波會隨著任務難度的增加而隨之活 躍(Jensen & Tesche, 2002; Klimesch et al., 2001; Onton et al., 2005)，

而 α 波與工作記憶的關係還不是那麼明確。因此，本研究初步以「θ 腦波」為 演算基礎的分析法，嘗試評估受試者感受到的認知負荷，並將其與試題難度間的 相關性進一步分析。

35