当VR照进脑科学丨脑智擘未来_风闻

编者按：脑科学对各种脑功能的解析、脑疾病的诊断治疗、类脑智能和脑机接口的技术开发，都具有非常重要的意义，中科院之声与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心联合开设“脑智擘未来”专栏，为大家解读视觉、学习记忆、注意力、抉择、意识、语言、共情、合作等日常生活中常见行为和现象的研究方式和科学发现。

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2021年元宇宙概念爆火。在元宇宙构建的虚拟世界中，人们可以拥有沉浸式的感官体验，以虚拟身份完成社交、购物、娱乐，实现天马行空的创意生活，开启独特的第二人生，这一构想点燃了大众的激情。而其中VR技术无疑是元宇宙概念最重要的硬件载体之一。VR，全称“virtual reality”，译为虚拟现实。3D立体的视觉感受、肢体位置的感应加上精细的触觉反馈，多感观的交互构建出了沉浸的虚拟世界体验。

近年来头戴式VR游戏机逐渐市场化，VR看房、VR培训等专注体验感的应用也层出不穷，VR正渐渐走进大众消费领域，而这项技术的发展，也为脑科学的基础研究与神经类疾病的治疗与康复带来了许多改变。

实验用VR设备往往包括视觉、听觉、触觉的交互输入，在以人为实验主体的脑科学研究及疾病治疗中，VR设备主要分为头盔式显示器（HMD）以及开放投影两种。而在动物实验中，则是以后者开放投影为主。

接下来以中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐春研究组与中科院自动化所合作搭建的啮齿类动物VR平台为例，让大家更直观地了解如何为动物营造一个VR场景。

小鼠在浮球上进行跑动，前方放置宽广的环绕屏幕，该屏幕的显示场景由检测到的小鼠运动决定，小鼠往哪里跑动，屏幕上的视角速度便随之切换。小鼠上方可连接检测神经活动的多种设备，并在小鼠头骨处手术埋置片状的金属柄，通过夹持在外部支架上固定小鼠的位置。小鼠前侧安装有水嘴或喷气气阀，可以给予小鼠奖励或惩罚来训练小鼠进行跑动。在这样的VR平台下，小鼠仿佛置身于屏幕中的虚拟世界里奔跑。我们可以设计不同的虚拟环境，对小鼠的场景认知、导航行为等高级认知功能进行研究。

VR的技术特点使之在实验研究中有着独到的优势，首先VR设备可以提供交互、真实的虚拟场景，在游戏中这为参与者带来了足够沉浸的游戏体验，而在大脑认知的研究中，这样的沉浸感也使被试人员或实验动物能做出更趋近于真实世界的反应。

而除了仿真环境外，我们还可以反其道行之，创建出一个与真实世界物理规则完全不同的虚拟世界，产生在真实世界中不可能发生的情景。例如当实验动物跑动时，虚拟场景却静止或与其运动方向并不一致，这些人为构建出的矛盾也给我们探究大脑到底是如何认知这个世界带来了不同的角度。

同时VR也兼容目前大脑研究的诸多技术手段，可以进行实时的监控和数据采集。而无论构建一个仿真还是荒谬的世界，VR设备所提供的环境都是可控的、能够精准调整和快速切换的，这都为实验或治疗康复带来了巨大的便利。

那么VR到底应用于哪些具体的脑科学基础研究呢？

在认知功能研究中，VR可应用于空间认知与导航、多感觉整合及社交问题的研究。

VR在动物研究上的应用主要集中在空间认知与导航方面。除了前面展示的头部方向固定的VR平台外，也存在小鼠可在原地灵活转动头部方向的VR平台，例如在这个展示视频中，小鼠周围的投影随着运动改变，营造出自由探索的沉浸感，小鼠被训练依次到达投影柱子的位置或某些特定的奖励区域。目前已有研究结果证明，在VR环境中跑动的小鼠存在表征位置信息的“位置细胞”，这类似于现实世界中跑动下的大脑活动，也是我们在VR环境中研究小鼠导航的基础。而利用VR环境可以快速切换改变的特点，我们有了更丰富的手段来探究动物空间认知与导航的神经机制。

多感觉整合是指人在综合视觉、触觉等多种信息来源后，产生了对自我存在的知觉。著名的橡皮手实验中，实验参与者将一只手臂放在视野盲区的挡板后，在临近位置放置一只橡皮手，当参与者注视着毛刷刷过橡皮手的同时以同样频率轻扫真实手指，久而久之参与者感受到橡皮手仿佛是自己的真手，在重物突然砸向橡皮手时会下意识地缩手，这体现了视觉和触觉的同步输入，能够欺骗我们的大脑，带来自我感知的错觉。在VR系统中，这种自我感知的错位可以进一步扩大，通过将参与者的背影投射到前方，轻敲后背的同时观看同步影像，部分参与者能够产生灵魂出窍的感受，认为前面的影像是自我本身。灵魂出窍和第一人称的视角有关么？触觉刺激和视觉输入的同步又需要多精确呢？使用VR可以帮助我们更好地理解到底哪些因素在多感觉整合中起着重要作用，我们又是如何产生自我感知的。

结合功能磁共振成像fMRI及VR技术，可以探究与人社交行为相关的脑区。例如当参与者面对一个虚拟的社交对象时，突然产生一个虚拟物体，也就是在这里左上方的棋盘格，当虚拟对象的目光并未注视到虚拟物品，而是转移到一个意外的方向时，实验者的颞上沟脑区，即STS区域被显著激活。而对于自闭症儿童，无论虚拟对象看向虚拟物品还是其他方向，其大脑的响应并没有区别。这证实了颞上沟区域在解读他人意图方面的作用，也对自闭儿童的治疗提供了线索。

在疾病康复方面，VR目前有潜力应用于恐惧、焦虑的脱敏治疗、疼痛缓解以及神经康复训练中。

恐惧情绪如恐高、飞行恐惧均可在VR环境中反复接触轻微刺激，尝试脱敏治疗。例如在VR中反复体验飞行的过程，或身临其境坐上电梯来到高楼尝试在高空木板上行走……VR在保障安全的同时又增加沉浸感，能够有效地降低焦虑和恐惧，并且可以实现灵活个性化的调整。

在疼痛缓解方面，比如处理烧伤伤口，可让患者沉浸于VR的冰雪环境下，通过视觉刺激使其产生心理上的“冰冷预期”，降低灼伤伤口的疼痛。

在神经康复领域也有着VR的身影。帕金森病人往往存在行走不平衡的步态问题，通过佩戴VR头盔进行康复训练，可以在虚拟环境中缩短实际的迈步距离，引导病人在下一次迈步时迈得更远。同时已经有研究证实，对于获得性脑损伤、例如中风患者，在有触觉、听觉和视觉多种感官的同步提示时，能够更好地减少下意识的姿势摇摆，提高康复训练效果。另一方面，VR的趣味性也可以增加患者配合康复治疗的积极性。

通过刚刚的了解我们可以得知，目前VR技术已经参与到脑科学研究及治疗的多个方面，然而虽然如此，VR应用仍有许多不成熟之处，例如其仍未市场化，普及度不高，大型VR设备的搭建往往需要耗资十几万人民币，对VR场景的编写存在一定的技术门槛，以及VR沉浸的感官体验主要停留在视觉、听觉与触觉，还需要更多涵盖。

1990年，钱学森先生将VR译为“灵境”，畅想在灵境技术下，实现人机结合的大成智慧，进而促成科学和文艺的大发展。在2022年的今天，VR已经小试牛刀，展示了它在诸多领域的潜力，我们也期待随着VR技术的进一步发展与成熟，它在临床治疗上的效果能获得更多验证，能为神经科学的认知研究和康复治疗带来更多全新的可能。

来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心