編者按：腦科學對各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機接口的技術開發，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯合開設“腦智擘未來”專欄，為大家解讀視覺、學習記憶、注意力、抉擇、意識、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現象的研究方式和科學發現。 

　　2021年元宇宙概念爆火。在元宇宙構建的虛擬世界中，人們可以擁有沉浸式的感官體驗，以虛擬身份完成社交、購物、娛樂，實現天馬行空的創意生活，開啟獨特的第二人生，這一構想點燃了大眾的激情。而其中VR技術無疑是元宇宙概念最重要的硬件載體之一。VR，全稱“virtual reality”，譯為虛擬現實。3D立體的視覺感受、肢體位置的感應加上精細的觸覺反饋，多感觀的交互構建出了沉浸的虛擬世界體驗。

　　近年來頭戴式VR游戲機逐漸市場化，VR看房、VR培訓等專注體驗感的應用也層出不窮，VR正漸漸走進大眾消費領域，而這項技術的發展，也為腦科學的基礎研究與神經類疾病的治療與康復帶來了許多改變。 

　　實驗用VR設備往往包括視覺、聽覺、觸覺的交互輸入，在以人為實驗主體的腦科學研究及疾病治療中，VR設備主要分為頭盔式顯示器（HMD）以及開放投影兩種。而在動物實驗中，則是以后者開放投影為主。 

　　接下來以中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心徐春研究組與中科院自動化所合作搭建的嚙齒類動物VR平臺為例，讓大家更直觀地了解如何為動物營造一個VR場景。 

　　小鼠在浮球上進行跑動，前方放置寬廣的環繞屏幕，該屏幕的顯示場景由檢測到的小鼠運動決定，小鼠往哪里跑動，屏幕上的視角速度便隨之切換。小鼠上方可連接檢測神經活動的多種設備，并在小鼠頭骨處手術埋置片狀的金屬柄，通過夾持在外部支架上固定小鼠的位置。小鼠前側安裝有水嘴或噴氣氣閥，可以給予小鼠獎勵或懲罰來訓練小鼠進行跑動。在這樣的VR平臺下，小鼠仿佛置身于屏幕中的虛擬世界里奔跑。我們可以設計不同的虛擬環境，對小鼠的場景認知、導航行為等高級認知功能進行研究。 

　　VR的技術特點使之在實驗研究中有著獨到的優勢，首先VR設備可以提供交互、真實的虛擬場景，在游戲中這為參與者帶來了足夠沉浸的游戲體驗，而在大腦認知的研究中，這樣的沉浸感也使被試人員或實驗動物能做出更趨近于真實世界的反應。 

　　而除了仿真環境外，我們還可以反其道行之，創建出一個與真實世界物理規則完全不同的虛擬世界，產生在真實世界中不可能發生的情景。例如當實驗動物跑動時，虛擬場景卻靜止或與其運動方向并不一致，這些人為構建出的矛盾也給我們探究大腦到底是如何認知這個世界帶來了不同的角度。 

　　同時VR也兼容目前大腦研究的諸多技術手段，可以進行實時的監控和數據采集。而無論構建一個仿真還是荒謬的世界，VR設備所提供的環境都是可控的、能夠精準調整和快速切換的，這都為實驗或治療康復帶來了巨大的便利。 

　　那么VR到底應用于哪些具體的腦科學基礎研究呢？ 

　　在認知功能研究中，VR可應用于空間認知與導航、多感覺整合及社交問題的研究。 

　　VR在動物研究上的應用主要集中在空間認知與導航方面。除了前面展示的頭部方向固定的VR平臺外，也存在小鼠可在原地靈活轉動頭部方向的VR平臺，例如在這個展示視頻中，小鼠周圍的投影隨著運動改變，營造出自由探索的沉浸感，小鼠被訓練依次到達投影柱子的位置或某些特定的獎勵區域。目前已有研究結果證明，在VR環境中跑動的小鼠存在表征位置信息的“位置細胞”，這類似于現實世界中跑動下的大腦活動，也是我們在VR環境中研究小鼠導航的基礎。而利用VR環境可以快速切換改變的特點，我們有了更豐富的手段來探究動物空間認知與導航的神經機制。 

　　多感覺整合是指人在綜合視覺、觸覺等多種信息來源后，產生了對自我存在的知覺。著名的橡皮手實驗中，實驗參與者將一只手臂放在視野盲區的擋板后，在臨近位置放置一只橡皮手，當參與者注視著毛刷刷過橡皮手的同時以同樣頻率輕掃真實手指，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會下意識地縮手，這體現了視覺和觸覺的同步輸入，能夠欺騙我們的大腦，帶來自我感知的錯覺。在VR系統中，這種自我感知的錯位可以進一步擴大，通過將參與者的背影投射到前方，輕敲后背的同時觀看同步影像，部分參與者能夠產生靈魂出竅的感受，認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，我們又是如何產生自我感知的。 

　　結合功能磁共振成像fMRI及VR技術，可以探究與人社交行為相關的腦區。例如當參與者面對一個虛擬的社交對象時，突然產生一個虛擬物體，也就是在這里左上方的棋盤格，當虛擬對象的目光并未注視到虛擬物品，而是轉移到一個意外的方向時，實驗者的顳上溝腦區，即STS區域被顯著激活。而對于自閉癥兒童，無論虛擬對象看向虛擬物品還是其他方向，其大腦的響應并沒有區別。這證實了顳上溝區域在解讀他人意圖方面的作用，也對自閉兒童的治療提供了線索。 

　　在疾病康復方面，VR目前有潛力應用于恐懼、焦慮的脫敏治療、疼痛緩解以及神經康復訓練中。 

　　恐懼情緒如恐高、飛行恐懼均可在VR環境中反復接觸輕微刺激，嘗試脫敏治療。例如在VR中反復體驗飛行的過程，或身臨其境坐上電梯來到高樓嘗試在高空木板上行走……VR在保障安全的同時又增加沉浸感，能夠有效地降低焦慮和恐懼，并且可以實現靈活個性化的調整。 

　　在疼痛緩解方面，比如處理燒傷傷口，可讓患者沉浸于VR的冰雪環境下，通過視覺刺激使其產生心理上的“冰冷預期”，降低灼傷傷口的疼痛。 

　　在神經康復領域也有著VR的身影。帕金森病人往往存在行走不平衡的步態問題，通過佩戴VR頭盔進行康復訓練，可以在虛擬環境中縮短實際的邁步距離，引導病人在下一次邁步時邁得更遠。同時已經有研究證實，對于獲得性腦損傷、例如中風患者，在有觸覺、聽覺和視覺多種感官的同步提示時，能夠更好地減少下意識的姿勢搖擺，提高康復訓練效果。另一方面，VR的趣味性也可以增加患者配合康復治療的積極性。 

　　通過剛剛的了解我們可以得知，目前VR技術已經參與到腦科學研究及治療的多個方面，然而雖然如此，VR應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設備的搭建往往需要耗資十幾萬人民幣，對VR場景的編寫存在一定的技術門檻，以及VR沉浸的感官體驗主要停留在視覺、聽覺與觸覺，還需要更多涵蓋。 

　　1990年，錢學森先生將VR譯為“靈境”，暢想在靈境技術下，實現人機結合的大成智慧，進而促成科學和文藝的大發展。在2022年的今天，VR已經小試牛刀，展示了它在諸多領域的潛力，我們也期待隨著VR技術的進一步發展與成熟，它在臨床治療上的效果能獲得更多驗證，能為神經科學的認知研究和康復治療帶來更多全新的可能。 

　　作者：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心  曲雪彤