發(fā)布時(shí)間：2022-07-12
編者按：腦科學(xué)對(duì)各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機(jī)接口的技術(shù)開發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合開設(shè)“腦智擘未來”專欄，為大家解讀視覺、學(xué)習(xí)記憶、注意力、抉擇、意識(shí)、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現(xiàn)象的研究方式和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
2021年元宇宙概念爆火。在元宇宙構(gòu)建的虛擬世界中，人們可以擁有沉浸式的感官體驗(yàn)，以虛擬身份完成社交、購物、娛樂，實(shí)現(xiàn)天馬行空的創(chuàng)意生活，開啟獨(dú)特的第二人生，這一構(gòu)想點(diǎn)燃了大眾的激情。而其中VR技術(shù)無疑是元宇宙概念最重要的硬件載體之一。VR，全稱“virtual reality”，譯為虛擬現(xiàn)實(shí)。3D立體的視覺感受、肢體位置的感應(yīng)加上精細(xì)的觸覺反饋，多感觀的交互構(gòu)建出了沉浸的虛擬世界體驗(yàn)。
近年來頭戴式VR游戲機(jī)逐漸市場化，VR看房、VR培訓(xùn)等專注體驗(yàn)感的應(yīng)用也層出不窮，VR正漸漸走進(jìn)大眾消費(fèi)領(lǐng)域，而這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，也為腦科學(xué)的基礎(chǔ)研究與神經(jīng)類疾病的治療與康復(fù)帶來了許多改變。
實(shí)驗(yàn)用VR設(shè)備往往包括視覺、聽覺、觸覺的交互輸入，在以人為實(shí)驗(yàn)主體的腦科學(xué)研究及疾病治療中，VR設(shè)備主要分為頭盔式顯示器（HMD）以及開放投影兩種。而在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，則是以后者開放投影為主。
接下來以中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心徐春研究組與中科院自動(dòng)化所合作搭建的嚙齒類動(dòng)物VR平臺(tái)為例，讓大家更直觀地了解如何為動(dòng)物營造一個(gè)VR場景。
小鼠在浮球上進(jìn)行跑動(dòng)，前方放置寬廣的環(huán)繞屏幕，該屏幕的顯示場景由檢測到的小鼠運(yùn)動(dòng)決定，小鼠往哪里跑動(dòng)，屏幕上的視角速度便隨之切換。小鼠上方可連接檢測神經(jīng)活動(dòng)的多種設(shè)備，并在小鼠頭骨處手術(shù)埋置片狀的金屬柄，通過夾持在外部支架上固定小鼠的位置。小鼠前側(cè)安裝有水嘴或噴氣氣閥，可以給予小鼠獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰來訓(xùn)練小鼠進(jìn)行跑動(dòng)。在這樣的VR平臺(tái)下，小鼠仿佛置身于屏幕中的虛擬世界里奔跑。我們可以設(shè)計(jì)不同的虛擬環(huán)境，對(duì)小鼠的場景認(rèn)知、導(dǎo)航行為等高級(jí)認(rèn)知功能進(jìn)行研究。
VR的技術(shù)特點(diǎn)使之在實(shí)驗(yàn)研究中有著獨(dú)到的優(yōu)勢，首先VR設(shè)備可以提供交互、真實(shí)的虛擬場景，在游戲中這為參與者帶來了足夠沉浸的游戲體驗(yàn)，而在大腦認(rèn)知的研究中，這樣的沉浸感也使被試人員或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物能做出更趨近于真實(shí)世界的反應(yīng)。
而除了仿真環(huán)境外，我們還可以反其道行之，創(chuàng)建出一個(gè)與真實(shí)世界物理規(guī)則完全不同的虛擬世界，產(chǎn)生在真實(shí)世界中不可能發(fā)生的情景。例如當(dāng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物跑動(dòng)時(shí)，虛擬場景卻靜止或與其運(yùn)動(dòng)方向并不一致，這些人為構(gòu)建出的矛盾也給我們探究大腦到底是如何認(rèn)知這個(gè)世界帶來了不同的角度。
同時(shí)VR也兼容目前大腦研究的諸多技術(shù)手段，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。而無論構(gòu)建一個(gè)仿真還是荒謬的世界，VR設(shè)備所提供的環(huán)境都是可控的、能夠精準(zhǔn)調(diào)整和快速切換的，這都為實(shí)驗(yàn)或治療康復(fù)帶來了巨大的便利。
那么VR到底應(yīng)用于哪些具體的腦科學(xué)基礎(chǔ)研究呢？
在認(rèn)知功能研究中，VR可應(yīng)用于空間認(rèn)知與導(dǎo)航、多感覺整合及社交問題的研究。
VR在動(dòng)物研究上的應(yīng)用主要集中在空間認(rèn)知與導(dǎo)航方面。除了前面展示的頭部方向固定的VR平臺(tái)外，也存在小鼠可在原地靈活轉(zhuǎn)動(dòng)頭部方向的VR平臺(tái)，例如在這個(gè)展示視頻中，小鼠周圍的投影隨著運(yùn)動(dòng)改變，營造出自由探索的沉浸感，小鼠被訓(xùn)練依次到達(dá)投影柱子的位置或某些特定的獎(jiǎng)勵(lì)區(qū)域。目前已有研究結(jié)果證明，在VR環(huán)境中跑動(dòng)的小鼠存在表征位置信息的“位置細(xì)胞”，這類似于現(xiàn)實(shí)世界中跑動(dòng)下的大腦活動(dòng)，也是我們?cè)赩R環(huán)境中研究小鼠導(dǎo)航的基礎(chǔ)。而利用VR環(huán)境可以快速切換改變的特點(diǎn)，我們有了更豐富的手段來探究動(dòng)物空間認(rèn)知與導(dǎo)航的神經(jīng)機(jī)制。
多感覺整合是指人在綜合視覺、觸覺等多種信息來源后，產(chǎn)生了對(duì)自我存在的知覺。著名的橡皮手實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參與者將一只手臂放在視野盲區(qū)的擋板后，在臨近位置放置一只橡皮手，當(dāng)參與者注視著毛刷刷過橡皮手的同時(shí)以同樣頻率輕掃真實(shí)手指，久而久之參與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時(shí)會(huì)下意識(shí)地縮手，這體現(xiàn)了視覺和觸覺的同步輸入，能夠欺騙我們的大腦，帶來自我感知的錯(cuò)覺。在VR系統(tǒng)中，這種自我感知的錯(cuò)位可以進(jìn)一步擴(kuò)大，通過將參與者的背影投射到前方，輕敲后背的同時(shí)觀看同步影像，部分參與者能夠產(chǎn)生靈魂出竅的感受，認(rèn)為前面的影像是自我本身。靈魂出竅和第一人稱的視角有關(guān)么？觸覺刺激和視覺輸入的同步又需要多精確呢？使用VR可以幫助我們更好地理解到底哪些因素在多感覺整合中起著重要作用，我們又是如何產(chǎn)生自我感知的。
結(jié)合功能磁共振成像fMRI及VR技術(shù)，可以探究與人社交行為相關(guān)的腦區(qū)。例如當(dāng)參與者面對(duì)一個(gè)虛擬的社交對(duì)象時(shí)，突然產(chǎn)生一個(gè)虛擬物體，也就是在這里左上方的棋盤格，當(dāng)虛擬對(duì)象的目光并未注視到虛擬物品，而是轉(zhuǎn)移到一個(gè)意外的方向時(shí)，實(shí)驗(yàn)者的顳上溝腦區(qū)，即STS區(qū)域被顯著激活。而對(duì)于自閉癥兒童，無論虛擬對(duì)象看向虛擬物品還是其他方向，其大腦的響應(yīng)并沒有區(qū)別。這證實(shí)了顳上溝區(qū)域在解讀他人意圖方面的作用，也對(duì)自閉兒童的治療提供了線索。
在疾病康復(fù)方面，VR目前有潛力應(yīng)用于恐懼、焦慮的脫敏治療、疼痛緩解以及神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練中。
恐懼情緒如恐高、飛行恐懼均可在VR環(huán)境中反復(fù)接觸輕微刺激，嘗試脫敏治療。例如在VR中反復(fù)體驗(yàn)飛行的過程，或身臨其境坐上電梯來到高樓嘗試在高空木板上行走……VR在保障安全的同時(shí)又增加沉浸感，能夠有效地降低焦慮和恐懼，并且可以實(shí)現(xiàn)靈活個(gè)性化的調(diào)整。
在疼痛緩解方面，比如處理燒傷傷口，可讓患者沉浸于VR的冰雪環(huán)境下，通過視覺刺激使其產(chǎn)生心理上的“冰冷預(yù)期”，降低灼傷傷口的疼痛。
在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域也有著VR的身影。帕金森病人往往存在行走不平衡的步態(tài)問題，通過佩戴VR頭盔進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可以在虛擬環(huán)境中縮短實(shí)際的邁步距離，引導(dǎo)病人在下一次邁步時(shí)邁得更遠(yuǎn)。同時(shí)已經(jīng)有研究證實(shí)，對(duì)于獲得性腦損傷、例如中風(fēng)患者，在有觸覺、聽覺和視覺多種感官的同步提示時(shí)，能夠更好地減少下意識(shí)的姿勢搖擺，提高康復(fù)訓(xùn)練效果。另一方面，VR的趣味性也可以增加患者配合康復(fù)治療的積極性。
通過剛剛的了解我們可以得知，目前VR技術(shù)已經(jīng)參與到腦科學(xué)研究及治療的多個(gè)方面，然而雖然如此，VR應(yīng)用仍有許多不成熟之處，例如其仍未市場化，普及度不高，大型VR設(shè)備的搭建往往需要耗資十幾萬人民幣，對(duì)VR場景的編寫存在一定的技術(shù)門檻，以及VR沉浸的感官體驗(yàn)主要停留在視覺、聽覺與觸覺，還需要更多涵蓋。
1990年，錢學(xué)森先生將VR譯為“靈境”，暢想在靈境技術(shù)下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合的大成智慧，進(jìn)而促成科學(xué)和文藝的大發(fā)展。在2022年的今天，VR已經(jīng)小試牛刀，展示了它在諸多領(lǐng)域的潛力，我們也期待隨著VR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與成熟，它在臨床治療上的效果能獲得更多驗(yàn)證，能為神經(jīng)科學(xué)的認(rèn)知研究和康復(fù)治療帶來更多全新的可能。
作者：中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 曲雪彤
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