下一代醫療：元宇宙在精神障礙領域的應用和展望

張火垠 雷怡?李紅

摘 要 精神障礙的患病率呈上升趨勢，正成為一個嚴重的社會問題。精神障礙通常通過藥物治療、心理治療或兩者的結合來控制，癥狀會隨著治療而消失。但有時常規的治療并不會使癥狀好轉，而元宇宙中人機交互系統（擴展現實或腦機接口）的發展將為很多現有醫療手段難以治愈的患者帶來新的診療方式。此外，腦機接口和擴展現實的結合也將有新的突破點：腦機接口系統能夠革新傳統擴展現實系統輸入的方式，將改變與虛擬環境相互影響的方式；擴展現實系統在腦機接口系統中也將成為有用的信息反饋利器。具體來說，腦機接口和擴展現實的結合使用在腦卒中、孤獨癥、多動癥等疾病中進行初步嘗試，并且取得了一定治療成果。新技術的發展為提升患者生活質量，改善患者生命品質提供了新的可能；同時也拓展了醫療的能力極限，讓部分精神類疾病的治愈不再依賴藥物成為可能。

關鍵詞 元宇宙；腦機接口；擴展現實；虛擬現實；精神障礙

分類號 B849

DOI：10.16842/j.cnki.issn2095-5588.2023.07.002

當前，我們正站在智能手機時代和下一個交互形態的交界處，對元宇宙的了解處于早期階段。從交互角度來看，在元宇宙社會中，自然人、虛擬數字人、高仿人機器人將構成“三人行”交互格局，人機融合給人帶來三種身份形態，即自然“真身”、虛擬“化身”、機器“假身”（彭影彤等， 2022）。而回顧整個人機交互發展歷程，我們看到人機交互的指令輸入形式和反饋輸出形式都在朝著更低的操作門檻和更高的交互效率演變。一方面，自然人和虛擬數字人的虛實界面：擴展現實在輸入技術（傳感等）和輸出技術（顯示等）方面均較上一代交互設備有顯著飛躍；另外一方面，自然人和高仿人機器人的虛實界面：腦機接口輸入技術（DBS等）方面和輸出技術（監測等）方面也在快速發展。隨著元宇宙應用的發展和內容生態的完善，元宇宙對硬件的需求逐步清晰，將推動擴展現實和腦機接口設備的逐步升級，最終有望出現可以和 PC、智能手機媲美的下一代硬件。而人對大腦的理解還處于非常早期的階段，醫療健康領域有望成為率先落地場景。

1 腦機接口在精神障礙領域的應用

元宇宙中的腦機接口系統日趨成熟，商業化發展正在起步。我國“十一五”至“十四五”規劃中，腦與認知科學以及腦機接口都是其中的重點發展方向。在科幻作品里，腦機接口往往會讓人類變成“超人”，獲得快速學習或是控制機體的能力。但在現實中，研究者的首要目標并不是給普通人“錦上添花”，而是給殘障、腦損傷、神經退行性疾病患者“雪中送炭”，讓他們提高與外界交流的能力，改善生活質量。目前腦機接口的產品大部分用于腦卒中后偏癱康復的治療（鄭金書等， 2021）。

在精神障礙領域，神經反饋技術可以治療恐懼癥，患者不用經歷“暴露療法”就可進行無意識的治療（Taschereau Dumouchel et al.， 2018）。研究者通過記錄“健康參與者”在看蜘蛛或蛇時的大腦活動得到“模板”。通過潛在模板信號，參與者可以通過使用諸如“變化的圓圈”之類的神經強化機制在完全不知道自己正在進行恐懼訓練的情況下進行神經反饋學習。訓練成功地減少了參與者與恐懼事件相關的大腦活動，在最終觀看恐懼的圖像時，他們表現出出汗減少和杏仁核的活躍程度降低。

此外，最新研究發現基于EEG的長期神經反饋訓練可能是改善情感障礙的有效工具，具有較好的臨床轉化前景。研究者設計了一個基于EEG的實時BCI系統，供參與者調節情緒（包括正性、負性或者中性情緒）。實驗結果表明，參與者通過BCI神經反饋訓練提高了調節情緒的能力（Huang et al.， 2021）。

2 擴展現實在精神障礙領域的應用

元宇宙中的擴展現實（Extended Reality， XR）包含虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality， AR）及混合現實（Mixed Reality， MR），目前VR發展最為成熟。而擴展現實技術的發展有利于促進傳統行為療法與虛擬現實等的深度融合，通過虛擬場景的設置與呈現部分代替咨詢者和來訪者的互動以實現來訪者認知與觀念的重塑和技能的提升（劉燊燊， 柏江竹， 2022）。

大部分VR干預心理健康的研究集中在治療焦慮癥和緩解疼痛上，甚至可以作為半自助應用程序使用。虛擬現實可以很容易地向患者展示虛擬的等價刺激，方便使用暴露療法（用于焦慮癥障礙）或者沉浸式游戲進行分心（減輕疼痛），或者使患者處于平靜自然的環境（放松療法）等（Lindner et al.， 2019）。其中，虛擬現實暴露療法最為成熟（王雪， 王廣新， 2014），對社交焦慮癥（王希等， 2017）、蜘蛛恐懼癥（鄒湘等， 2021）、貪食癥和暴食癥（王姬等， 2021）、抑郁癥（Abend et al.， 2016）等均有效。

此外，將抑郁認知行為治療放置在VR中，可以使患者沉浸在虛擬環境中。利用虛擬現實獨特的體驗進行抗抑郁治療，可以轉化為非常規的臨床應用。認知行為療法通常鼓勵人們盡可能客觀地看待事物，駁斥認知負面的情緒。最近開發的針對抑郁癥的VR干預教導，就可以鼓勵青少年健康心理成長（Lindner et al.， 2019）。

最后，自動VR認知療法還有助于改善精神病患者的回避和痛苦。346名有廣場恐怖癥癥狀的患者在VR治療六周后有所改善，并且癥狀強度越大，治療效果就越明顯（Freeman et al.， 2022）。這是第一個在精神病患者群體中成功展示出積極效果的數字療法，也是有史以來規模最大的一次將VR用于心理健康臨床試驗的嘗試。

3 腦機接口+擴展現實在精神障礙領域的應用

既然腦機接口和擴展現實都在醫療領域有重要應用，那么二者結合的著力點具體在哪里呢？是否可以在某些應用領域結合并產生一加一大于二的效果呢？相關研究者進行了初步探討：一方面，從擴展現實輸入技術（傳感等）角度來看，腦機接口系統能夠革新傳統擴展現實系統輸入的方式，將改變與虛擬環境相互影響的方式；腦機接口系統比傳統擴展現實系統輸入方式更直觀，可視為類似感官與虛擬環境的交互與控制（馬赟赟等， 2007）。另一方面，從擴展現實輸出技術（顯示等）角度來看，擴展現實系統在腦機接口系統中也將成為有用的信息反饋利器。傳統研究采用聲音、文字、二維圖像等刺激材料，與參與者實際生活場景差別較大，而擴展現實生成的沉浸式三維環境可以創造多種感覺刺激，患者可以在更加接近現實的環境中產生質量更高的EEG，從而提高腦機接口的性能（李穎潔等， 2021; 楊幫華等， 2011）。

目前，腦機接口+擴展現實技術的臨床應用在運動康復方面相對較成熟。已有研究發現腦機接口+擴展現實可用于偏癱患者的肢體康復、感知覺訓練、平衡訓練及康復后期的作業訓練（胡永林等， 2022; 鄭金書等， 2021）。例如，采用腦機接口康復訓練系統構建認知運動雙重任務訓練刺激，經過兩周訓練后，腦機接口組患者平均腦參與度指數顯著高于對照組，整體提升近20%，表明患者認知注意及信息處理能力均有明顯改善（Yuan et al.， 2021）。

那么，在精神領域又是怎么樣的呢？神經反饋訓練一般采取視頻、游戲等人機交互方式進行，有趣而非侵入，易被人們接受。隨著技術的更新及患者需求的升級，傳統的2D視覺反饋已經被更復雜的3D虛擬現實場景所取代。近年來，在游戲與學習聯盟國際會議上就報告了VR-EEG神經反饋范式下的患者體驗。該研究不僅考慮了VR反饋的積極體驗，還調查了其消極影響，如暈屏、頭部壓力感等（Berger et al.， 2021）。并且腦機接口+擴展現實產品在多動癥（Sonuga-Barke et al.， 2013）、孤獨癥（El-Shehaly et al.， 2013）等方面進行了初步探索。

多動癥是一種最常見的兒童神經類疾病，其主要病癥為注意力不集中、多動等（Boland， 2015）。目前應用比較廣泛的是藥物治療以及心理行為干預治療、控制飲食方法、補充營養品等非藥物療法，但是這些方法的治療效果也比較有限。神經反饋作為一種非藥物治療方法在治療多動癥兒童方面表現出了較大潛力。Lim等（2012）開發了一種基于腦機接口的注意力訓練游戲系統，通過腦電信號測量患者注意力水平以進行訓練，該系統被證明有助于改善注意力缺陷多動障礙兒童的注意力。并且，元分析研究篩選出八項研究進行綜合分析，其結論指出，神經反饋對ADHD治療效果顯著，其治療效果的評價來源于與參與者較為親近的人（Sonuga-Barke et al.， 2013）。此外，也有研究者采用三維虛擬現實多難度游戲系統，其設置的初衷是提高治療體驗，通過治療、游戲融合等手段吸引患者并使其保持治療熱情，這些治療更容易被兒童接受，可以提高其治療興趣。Arpaia等（2020）開發了一種增強現實場景下的穩態視覺誘發電位腦機接口，實現多動癥兒童對社交機器人較高精度的控制，改善患者的注意力缺陷。

孤獨癥是一種發育障礙類疾病，病程可持續一生，且患病率逐年升高。目前，孤獨癥在全球的發病率約為0.62%～0.7%（Elsabbagh et al.， 2012）。傳統的孤獨癥治療主要包括行為干預、藥物治療和飲食治療等，而利用腦機接口的神經反饋治療方式正在針對孤獨癥兒童的康復訓練中承擔重要角色。Pineda等（2014）則通過搭建基于腦機接口的神經反饋任務，通過要求孤獨癥兒童對腦活動控制至預期范圍，實現了孤獨癥兒童行為表現的好轉。Carlos等（2018）發現，通過在虛擬現實場景中進行為期四個月的 P300 腦機接口注意力干預訓練，高功能孤獨癥兒童的癥狀表現和相關生理指標得到了顯著改善。此外，將虛擬現實引入神經反饋的研究也受到廣泛關注。ElShehaly等（2013）設計了基于X3D的VR干預工具腦機接口系統，為孤獨癥患者提供全新的場景體驗，包括進入教室、選擇座位和參加小組活動等。患者可以在第一人稱或第三人稱模式下控制虛擬場景，不受實時社會壓力或制約因素的限制。這種沉浸式虛擬環境的設計易于交互和即時反饋，可以加強患者的神經反饋調節，從而改善患者病癥。

4 腦機接口+擴展現實在精神障礙領域的展望

中國精神衛生調查結果顯示，在精神障礙中，焦慮障礙患病率為4.98%（Huang et al.， 2019），成人抑郁障礙終生患病率高達6.8%（Lu et al.， 2021）。每一個數字背后，可能都是一個被改變的人生。腦機接口和擴展現實的結合使用除了在多動癥、孤獨癥等神經發育障礙方面有療效，是否在其他精神障礙領域方面也可以發揮類似的作用呢？

在情感障礙方面，目前大多數是采用腦機接口技術（Huang et al.， 2021）和擴展現實技術（Freeman et al.， 2022）分別從不同的角度進行治療，但是腦機接口可能為虛擬現實暴露療法帶來全新的可能性。傳統虛擬現實暴露療法可能產生過度暴露或暴露不足的情況，使得患者不能處于合適的情境中，并且開發難度大、費用高，會導致場景過于單一，不能滿足同一患者在不同時期、不同恐懼狀態下對不同場景的需求，而腦機接口恰好可以解決這兩個問題。一方面，腦機接口可以實時監測患者在虛擬現實暴露治療過程中各種大腦指標，從科學角度反饋患者最真實的情緒和健康狀態，避免出現過度暴露或暴露不足的情況；另一方面，虛擬現實設備可以根據腦機接口對患者大腦情況的反饋自動調節其所產生的恐怖情景模擬，實現“景隨腦動”，由此暴露療法、虛擬現實、腦機接口形成閉環，暴露療法的效率將大幅提升。從而實現集監測與干預一體化的普適性平臺。

在認知障礙方面，前人研究發現，VR導航測試可能比我們目前在臨床和研究中使用的認知測試更能識別早期阿爾茨海默癥（Howett et al.， 2019）。那么，腦機接口+擴展現實是否也可能幫助阿爾茨海默癥患者重新建立起認知與現實的橋梁呢？一方面，可以嘗試讓患者在復刻現實的虛擬世界中，重新開始現實世界的訓練，并且檢測患者在這一過程中各種大腦指標，從科學角度反饋患者最真實的情緒和健康狀態。那么就有可能形成阿爾茨海默癥的正向干預，讓患者重建與現實的連接。另一方面，患者就可以利用腦電信號控制計算機中的虛擬游戲人物靈活移動、躲避障礙，實現在虛擬世界中“跑酷”。經過特征提取和模式識別分類算法，就能使其控制游戲人物向不同方向運動，從而訓練患者的反應力、注意力、空間想象力和記憶力，鍛煉腦力，提升大腦細胞興奮性，減緩腦功能退化，實現對阿爾茨海默癥的預防作用（鄭亢等， 2019）。

最后，隨著擴展現實技術在沉浸、交互、便攜等方面的提升以及腦機接口技術在準確、安全、便攜等方面的提升，將有可能實現千人千面、如影隨形的專屬虛擬醫生。虛擬數字人不僅可以成為真實人的虛擬化身，讓人在身臨其境的環境中進行治療，還可以發展出現實生活中不存在的虛擬化身（彭影彤等， 2022），成為人們的朋友和醫生，隨時隨地進行陪伴和治療。例如，當腦機接口設備監測到人體發育、認知、情緒等方面異常，擴展現實設備即可跳出專屬智能虛擬化身，進行及時的并且個性化的干預治療和陪伴。

5 元宇宙的局限

元宇宙降臨，新世界開啟。元宇宙作為新賽道，概念未定，技術待成，場景未展，不可避免存在爭議的聲音（趙星等， 2022）。在元宇宙中由于虛實結合產生的高自由度、時空變革等，可能產生的問題包括數據隱私和安全、現實和虛擬認知模糊、個體差異性和神經解碼困難等。

首先，數據隱私和安全尚未得到解決。精神類信息高度敏感，大多數人對數據泄露和隱私安全都深感憂慮。從信息安全角度看，一旦未來腦機接口可以有效讀取腦內信息，甚至通過對神經活動的調控向腦內“寫入”信息，就會伴隨信息內容泄露、對腦活動的惡意干擾甚至操縱等風險。盡早制定更全面、更嚴格的身份認證、信息加密、系統防護標準，開發惡意侵入檢測技術和相應的保護機制，從而促進腦機接口和擴展現實的安全應用（Behr et al.， 2014）。

其次，現實和虛擬認知模糊導致各類精神疾病。平行宇宙觀、融合宇宙觀和進化宇宙觀三類理論觀點，分別匯聚出復刻現實、增強現實和超脫現實三種技術發展路徑（趙星等， 2022）。然而隨著虛實結合的深度交融，可能會帶來現實和虛擬認知模糊等問題；而對VR的過度使用也可能導致各類精神疾病。人們過度沉浸于虛擬世界，會影響其在現實世界里的生活，甚至會引發心理障礙和生理失調，如自我感喪失、現實感喪失、暈動癥、網絡怠工（劉燊燊， 柏江竹， 2022; Behr et al.， 2014; Zoghbi Manrique De Lara， 2012）。

最后，大腦信號解碼困難，個體差異性大。目前，還不清楚大腦各個區域的活動與人的精巧動作、情緒等存在怎樣的對應關系。以瑞金醫院功能神經外科的難治性抑郁癥診療為例，雖然取得了臨床試驗效果，找到了有效的腦深部電刺激區域，但背后的神經機理還不清楚。此外，還存在個體差異性的問題。以腦卒中為例，它的致病和治療機理是比較明確的，但患者的個體差異性和腦損傷程度不同會影響腦機接口采集的腦電信號質量，進而影響訓練效果。 因此，需要收集更多的臨床數據來提高準確性（胡永林等， 2022）。

6 結語

目前元宇宙中的腦機+擴展現實的產品是給各種腦損傷、神經退行性疾病患者“雪中送炭”，讓他們提高與外界交流的能力，改善生活質量。首先，大部分還是用于腦疾病相關的輔助康復治療，特別是腦卒中的治療方案發展最為成熟（Huang et al.， 2021）。 其次， 孤獨癥（ElShehaly et al.， 2013）、多動癥（Sonuga Barke et al.， 2013）等神經發育障礙疾病，在實驗室當中進行了初步嘗試，并且取得了一定成果。最后，抑郁癥（Lindner et al.， 2019）、恐懼癥（Taschereau Dumouchel et al.， 2018）等情緒障礙疾病在擴展現實和腦機接口領域各自有探索，目前還未出現腦機接口+擴展現實產品的整合方案，需要進一步探索。相信隨著擴展現實和腦機接口技術研究的深入，二者在醫療健康領域的應用場景也將會更加多元。

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