本文来自微信公众号：信睿周报 （ID：TheThinker_CITIC），原载于《信睿周报》第95期，作者：肖晓，原文标题：《虚拟现实疗法会成为革命性的诊疗手段吗？》，题图来自：视觉中国
虚拟现实（VR）又被称为虚拟实境、灵境或幻真，这一技术利用电脑模拟产生一个三维的虚拟世界，并为使用者提供多种感官体验，使其仿佛身临其境，且能与虚拟世界产生自由无碍的互动。
早在1935年，美国科幻小说家斯坦利·温鲍姆（Stanley G. Weinbaum）就在他的小说《皮格马利翁的眼镜》（Pygmalion's Spectacles）中幻想过一种神奇的眼镜，戴上它以后，佩戴者不仅可以进入眼镜所呈现的世界，它还在视觉、听觉的基础上加入嗅觉和触觉，让佩戴者看到、听到、闻到、触摸到眼前的人和事物，并与画面中的世界进行“实景交互”，甚至能影响镜中世界发生的一切。这是人类对虚拟现实最初的想象。
Pygmalion's Spectacles， Stanley G. Weinbaum， Kessinger Publishing， LLC， 2004
近年来，随着许多实力雄厚的跨国公司投入巨资开发虚拟现实设备和发展元宇宙（Metaverse）平台产业，虚拟现实技术也从单纯利用软硬件进入虚拟世界，逐步进阶到把虚拟世界信息与真实世界信息结合在一起的增强现实（AR）、混合现实（MR）等，并显示出作为革命性医疗手段的巨大潜力。
抗焦虑、成瘾等精神类疾病的治疗
早在虚拟现实设备出现之前，运用计算机和互联网作为电子疗法（E-therapy）、数字疗法（digital therapy）或网络疗法（cyber therapy）的新型治疗方法就已应运而生。这类治疗方法主要基于认知行为疗法（CBT）。
传统的认知行为疗法是心理治疗师通过谈话和沟通对患者的心理状态进行干预，让患者意识到不健康或消极的想法和习惯，学习应对压力的技巧，及时地管理情绪和控制心理疾病。这些电子疗法最初利用游戏、图画、视频和音频提供治疗方案和策略，并通过网上组成的社团实现相互讨论、互相扶持。
首个利用计算机的电子疗法出现在1966年，它采用一台名为one-K的计算机与患者对谈。后来互联网上出现了由临床医生和多名患者组成的在线互助团体，其中最有名的是2006年由美国佐治亚州一名心理学家在3D虚拟社区“第二人生”中管理的治疗小组。
在人工智能技术发展起来后，患者可以依靠语音识别与人工智能系统进行对话和讨论，向虚拟的治疗师倾诉自己的烦恼，相信最近由OpenAI开发的基于强化学习训练的ChatGPT能在这一领域大放光彩。
虚拟现实技术的治疗方案最早被应用于患创伤后应激障碍（PTSD）的越战老兵的抗焦虑治疗，心理治疗师利用虚拟现实系统所呈现的内容实施暴露疗法。患者在治疗师的帮助下戴上头戴式立体显示器，只要环顾四周，就会有深度视觉的感知体验——这使他们能够沉浸在虚拟的环境中。在治疗过程中，治疗师会让患者暴露在安全、受控的模拟环境中，并引发他们的焦虑体验。患者逐步、反复地接触这些刺激，最终就会了解到，他们所担心的“威胁”实际上并不危险。
虚拟现实环境也能让患者完成他们在现实中做不到的事情，以减少他们的焦虑和回避行为。例如，恐高症患者会在治疗师的指导下登上越来越高的建筑物（体感暴露），患有创伤后应激障碍的病人可能会在治疗过程中重温创伤记忆（联想暴露），社交恐惧症病人会在治疗过程中逐步暴露在越来越多的人前或者特殊的场景下（社交暴露）。
除了抗焦虑治疗，也有不少虚拟现实疗法被应用于药物依赖、毒品成瘾、抑郁症、精神分裂症、孤独症、注意力缺陷多动障碍、失眠等病症的案例，而且有些已成为商业性项目，如针对青少年抑郁所开发的SparkRx系统（Limbix公司），针对饮食失调的远程MUVR系统（HealthXR公司）。
我国在虚拟现实疗法领域已逐步进入世界前列，如上海交通大学医学院附属精神卫生中心与凝动医疗公司合作研发的特定恐惧心理康复训练软件，已获批国家II类医疗器械注册证，是全球首个适用于特定恐惧症（恐高症）的医疗器械。
镇痛治疗
疼痛治疗是虚拟现实治疗的前沿领域，美国食品药品监督管理局（FDA）于2022年11月首次通过了AppliedVR公司使用虚拟现实设备治疗腰痛的许可。虚拟现实辅助认知行为疗法也被应用于缓解慢性疼痛，大部分镇痛治疗方案是通过沉浸式的游戏机制让患者进入另一个世界，使他们的注意力转移，不再聚焦于身体疼痛。还有一些方案是利用冥想、正念等方法，或是创造沉浸式的自然环境，让患者进入平静放松的状态来缓解疼痛。
由AppliedVR研发的、用于缓解慢性腰痛的沉浸式虚拟现实系统。图片来自AppliedVR官网
2014年发表在《神经科学前沿》（Frontiers in Neuroscience）杂志的一项研究，报道了虚拟现实和增强现实技术对幻肢痛的治疗效果。人们在失去一只手臂或一条腿后，通常会体验到来自已失去的肢体的疼痛感或麻痹感，这被称为幻肢痛。多达80%的截肢患者都会出现幻肢痛，而且疼痛通常非常剧烈，还有可能发展为更具伤害性的慢性痛。
幻肢痛的致病机制尚不清楚，目前的研究认为可能是由外周神经损伤产生的神经施旺细胞瘤（神经鞘瘤）引起的异常放电（外周机制）、脊髓神经元敏化作用（脊髓中枢机制）、大脑皮质功能区可塑性代偿和体感记忆残留（大脑中枢机制）等多种因素诱发的。目前幻肢痛的治疗手段还比较局限，主要有佩戴义肢、针灸和镜像反射学习法等，但治疗效果因人而异，还没有一种适用于所有患者的有效疗法。
这项利用增强现实技术的实验性治疗方案，是瑞典查尔姆斯理工大学生物医学工程博士马克斯 · 奥提斯-加塔兰（Max Ortiz-Catalan）及其同事提出来的。他们的实验对象是一名严重幻肢痛的患者，这位男性患者的手臂在少年时就被截肢了，他已忍受了48年的严重幻肢痛。
研究人员用电极记录了患者手臂残端的肌肉信号，并用软件将这些信号收集起来。同时，通过摄像头拍摄患者的视频，用增强现实的方法让患者看到虚拟的手臂叠加在自己真实的身体上。然后，把收集到的手臂残端信号转换为视频中虚拟手臂的运动，患者就可以通过思维来控制这只虚拟手臂来执行多种任务，比如在赛车游戏中驾驶模拟汽车等。
经过一段时间的训练后，患者报告说他的疼痛症状减轻了，并且在虚拟现实治疗过程中经历了完全无痛的体验，他还自述虚拟手臂可以从痛苦的紧握变成放松和张开的感觉。
瑞典生物医学工程博士马克斯·奥提斯-加塔兰。图片来自Google Scholar
利用手臂残端的肌肉信号来控制虚拟手臂并不是凭空想出来的方案，早在多年前，科学家们就已可以利用肢体残端的信号来控制假肢。但安装机械假肢需要极其精细的手术技术和高精度的神经接口技术，并不是在任何医院都可以开展的，而现在使用增强现实技术可以极大地减少实验难度和成本。因此，这一治疗方案具有非常好的前景，不过也需要更多患者进行对照研究，以对疗效做出更好的评价。
认知干预治疗
在中国医师协会神经内科医师分会于2019年组织国内专家制定的《认知训练中国专家共识》中，认知干预疗法被定义为“采用非药物干预的手段对认知功能进行直接或间接的治疗”。
认知干预分为认知刺激（cognitive stimulation）、认知康复（cognitive rehabilitation）和认知训练（cognitive training）三种，其中，认知刺激和认知康复的治疗干预对象主要是患有认知障碍（如痴呆）的病人，认知训练的适宜对象则非常广泛，既包括认知障碍患者，也包括认知功能正常的老年人或主观认知下降的患者（即神经心理测试正常，但自称与以前相比认知能力下降的人）。
认知训练的涵盖范围也非常广泛，包括多种认知功能，比如感知觉能力、定向导航能力、注意力、记忆力、执行能力、逻辑推理能力、反应速度和语言等，对其设计的训练方案可以针对单一认知功能，也可以涉及多种认知功能共同作用。
国家康复辅具研究中心附属康复医院于2022年更新了《认知训练中国指南》，其中“认知训练的方法”一节是这样说的：
“虚拟现实技术通过搭建逼真的三维场景（如超市、厨房和社区等）开展认知训练，提高了干预对象对认知训练的兴趣和参与度。对于早期痴呆患者，通过模拟熟悉的生活场景来训练患者的即刻记忆和延迟记忆，能够有效改善视觉记忆和空间记忆。基于虚拟现实的认知训练在提高脑卒中患者的记忆力方面具有良好效果。对于有阿尔茨海默病家族史的高风险人群，虚拟现实训练有助于改善记忆功能。此外，嵌入具有深度学习能力的人工智能辅助技术的认知训练可有效提升认知障碍患者的训练效率。”
虚拟现实疗法的作用机制
由于虚拟现实技术具有治疗患者、改变大脑功能和身体状态的能力，因此有人担心长期使用虚拟现实设备会对健康造成不良影响。于是，探讨虚拟现实系统对大脑及身体的作用机制及影响的小动物虚拟现实系统在此基础上应运而生。
虽然有动物保护组织抵制动物实验，但在没有更好的替代方案时，动物实验是必不可少的。借助动物实验不仅可以研究各种疾病的致病机理，也可以检测药品的药效和安全性，尤其是在脑科学研究中，只有动物实验才可以完成精准的开颅手术、细胞记录、神经通路追踪等，以揭示大脑机制的奥秘。
与人类通常使用的头戴式虚拟现实装置不同，小动物虚拟现实系统更像是一个给动物建造的5D环绕式影院。在大多数动物实验中，这一过程主要通过环绕式全景显示器（通常是270°至360°大屏幕）、气浮式跑球、运动传感器和固定装置来实现。动物在跑球上完成相对自由的活动，运动轨迹被传感器检测并输入计算机记录，全景显示器上的虚拟现实场景会实时更新。
相比人类使用的虚拟现实设备，这类小动物虚拟现实系统更具有沉浸感。人类的头戴式虚拟现实设备主要基于视觉的感受和反馈，而小动物虚拟现实系统兼有触觉、听觉、嗅觉等多种感觉。
例如，要让动物适应在虚拟现实环境下活动，我们会先设计一个简单的跑道系统或有墙壁的空房间，让它们在其中自由探索，并让它们知道“虚拟墙壁无法穿越”等虚拟现实环境下的规则。当动物撞墙时，首先会提供视觉反馈，让虚拟场景静置，并通过触碰动物胡须、吹气等方式利用触觉给予它们触摸虚拟墙壁时的感觉和厌恶性反馈。
通过综合利用视觉（小鼠具有双色视觉，对370～510纳米波长的中低波长的光最敏感）、触觉、嗅觉、听觉和相应的奖励饮食系统，为小动物营造出一个接近真实世界的沉浸式虚拟环境，让它们能在可控的环境下受到各种感官刺激，并与之进行互动反馈。
这一系统能够使研究人员在完全可控的实验环境下，观察小动物在其中的行为模式，并结合其他前沿技术（例如双光子脑成像技术、多电极脑电信号记录技术、光遗传刺激调控等）来研究大脑如何处理和编码复杂信息，从而让科学家们得知当身处虚拟现实系统时脑内究竟发生了什么。
啮齿类动物的虚拟现实装置。引自 Minderer et al. 2016 Nature
加州大学洛杉矶分校教授玛雅克 · 梅塔（Mayank Mehta）是研究虚拟现实系统的大脑机制的先驱，他于2013年在《科学》（Science）杂志发表了让大鼠在虚拟现实设备中活动和学习的研究结果，正是他的这项工作开启了理解大脑如何在虚拟现实环境中发挥作用的实验研究。
他在研究中所关注的大脑部位是与学习记忆和空间导航功能密切相关的海马区（hippocampus）。在大脑中，海马区和与它相连的皮质脑区，如内嗅皮质（entorhinal cortex）等，共同组成了大脑中的GPS导航系统。这些脑区中存在着一些具有特殊定位功能的神经细胞，可以帮助大脑从周围的环境中获取信息并标记位置，形成大脑中的认知地图。
当我们处于新环境时，这些关键脑区的神经细胞还会被激活以创建新的记忆，从而帮助我们记住发生的事件，并将这些事件标记上正确的空间和时间信息，存放在记忆中。发现海马区中的位置细胞（place cell）的约翰 · 奥基夫（John O'Keefe）教授还因此获得了2014年的诺贝尔医学与生理学奖，足见这个脑区在我们大脑中的重要性。
梅塔教授及其团队让大鼠执行空间导航任务，同时在大鼠的海马区埋置电极以记录细胞的激活情况，并把这些经过训练的大鼠放置在真实环境和虚拟环境中进行比较。他们观测到，当大鼠处于真实环境时，海马区中的位置细胞会被大量激活，来标定位置并记忆信息。而把大鼠放置到与真实环境几乎一模一样的虚拟环境后，虽然仍有一部分位置细胞在发挥作用，但有近60%的细胞失活了。
他们进一步发现，这些失活的位置细胞并不是死亡或者受到损伤了，而是它们在真实环境和虚拟环境中形成了不同的地图，哪怕大鼠在完成同样的活动。这个设计巧妙的实验第一次向我们证实了，身处虚拟现实环境时，大脑的活动状态是不一样的。
梅塔教授在最新的研究成果中还表示，在虚拟现实中活动的大鼠脑中会出现更强的θ（theta）节律的脑电信号，而在真实环境中却没有出现。θ节律由低频（4～8赫兹）的神经元同步放电活动所产生，θ节律增强通常与大脑中更强的学习和记忆能力相关，阿尔兹海默病患者脑的θ节律就经常出现异常。
因此，这些关键的实验证据提示：虽然大脑在虚拟现实环境与真实环境中的状态并不一样，但虚拟现实环境或许能在一定程度上帮我们更好地建立记忆，这也是虚拟现实疗法发挥作用的可能机制之一。
我们需要更多的实验研究来确认虚拟现实环境和真实环境的差异，并研究与之相关的大脑和生理机制。所幸的是，目前有越来越多的实验室加入这一领域的研究当中，笔者的实验室目前也在利用虚拟现实系统研究空间导航和空间记忆的大脑机制，以及疼痛、认知障碍和多种精神疾病的致病机理，并探究相关的虚拟现实疗法的诊疗方案。
虚拟现实技术的优点和不足
虚拟现实技术和设备能够获得关注，并在多种疾病治疗中得到应用，不仅因为其有良好的治疗效果，也因为其独特的治疗方式。
首先，虚拟现实系统具有灵活、便捷、性价比高的优势。随着软硬件系统和技术的提升，虚拟现实系统越来越轻巧、便宜。建造一个真实环境的成本是巨大的，而虚拟现实系统不但可以通过建立仿真环境节约成本，还可以根据需要随时调整和改动。
其次，虚拟现实诊疗技术所营造的环境，可以让所有患者都处于同一个场景中，便于对不同患者的诊断和治疗进行比对，从而提供更客观可靠的结论。
再次，虚拟现实技术还为患者提供了更好的便利性和私密性。部分神经疾病和精神疾病患者会有病耻感，他们由于不愿意承认自己的疾病或羞于去医院，而耽误了疾病的诊断和治疗，与家庭联网的虚拟现实系统就可以改变这种状况，还可节约患者到医院的路途和时间成本，甚至让身处偏远地区的患者也能得到大城市名医的诊疗。
最后，在虚拟现实系统下，医生和治疗师可以实时监测和跟踪患者的治疗体验，根据患者的反应进行快速调整，形成闭环调控的治疗方案，从而获得最佳的治疗效果。
虚拟现实技术不仅促进了多种技术的发展，也在疾病诊疗领域中发挥了不可小觑的作用，但技术都具有两重性，其产生的后果既有积极的一面，也有消极的一面。
例如，虚拟现实系统所带来的沉浸式体验，既有可能促进大脑认知功能的发展，也可能导致使用者产生虚拟世界和真实世界的认知混淆。在虚拟现实环境中，周围环境和交互对象都是以计算机为中介虚拟构建出来的，使用者在其中可以不受限制地自由创作、肆意宣泄。这种脱离现实规则的感受会使主体产生感知的超验性，不愿忍受现实世界制约的人们或许更容易沉迷于在虚拟世界中寻找寄托。
有研究显示，长期使用虚拟现实设备可能会对大脑具有更高可塑性的儿童造成一定程度的伤害。因此，要真正使用和应用好虚拟现实技术，我们不仅要对其有更全面客观的了解，还要更细致具体地探讨其效果和影响；我们既需要更深入的研究和更大胆的创新，又需要制定更多的伦理准则和规则，让这项新兴技术在可知可控的范围内，最优化地为我们服务。
参考文献
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本文来自微信公众号：信睿周报 （ID：TheThinker_CITIC），原载于《信睿周报》第95期，作者：肖晓（复旦大学类脑智能科学与技术研究院，认知神经科学中心）