下一代医疗：元宇宙在精神障碍领域的应用和展望

张火垠 雷怡?李红

摘 要 精神障碍的患病率呈上升趋势，正成为一个严重的社会问题。精神障碍通常通过药物治疗、心理治疗或两者的结合来控制，症状会随着治疗而消失。但有时常规的治疗并不会使症状好转，而元宇宙中人机交互系统（扩展现实或脑机接口）的发展将为很多现有医疗手段难以治愈的患者带来新的诊疗方式。此外，脑机接口和扩展现实的结合也将有新的突破点：脑机接口系统能够革新传统扩展现实系统输入的方式，将改变与虚拟环境相互影响的方式；扩展现实系统在脑机接口系统中也将成为有用的信息反馈利器。具体来说，脑机接口和扩展现实的结合使用在脑卒中、孤独症、多动症等疾病中进行初步尝试，并且取得了一定治疗成果。新技术的发展为提升患者生活质量，改善患者生命品质提供了新的可能；同时也拓展了医疗的能力极限，让部分精神类疾病的治愈不再依赖药物成为可能。

关键词 元宇宙；脑机接口；扩展现实；虚拟现实；精神障碍

分类号 B849

DOI：10.16842/j.cnki.issn2095-5588.2023.07.002

当前，我们正站在智能手机时代和下一个交互形态的交界处，对元宇宙的了解处于早期阶段。从交互角度来看，在元宇宙社会中，自然人、虚拟数字人、高仿人机器人将构成“三人行”交互格局，人机融合给人带来三种身份形态，即自然“真身”、虚拟“化身”、机器“假身”（彭影彤等， 2022）。而回顾整个人机交互发展历程，我们看到人机交互的指令输入形式和反馈输出形式都在朝着更低的操作门槛和更高的交互效率演变。一方面，自然人和虚拟数字人的虚实界面：扩展现实在输入技术（传感等）和输出技术（显示等）方面均较上一代交互设备有显著飞跃；另外一方面，自然人和高仿人机器人的虚实界面：脑机接口输入技术（DBS等）方面和输出技术（监测等）方面也在快速发展。随着元宇宙应用的发展和内容生态的完善，元宇宙对硬件的需求逐步清晰，将推动扩展现实和脑机接口设备的逐步升级，最终有望出现可以和 PC、智能手机媲美的下一代硬件。而人对大脑的理解还处于非常早期的阶段，医疗健康领域有望成为率先落地场景。

1 脑机接口在精神障碍领域的应用

元宇宙中的脑机接口系统日趋成熟，商业化发展正在起步。我国“十一五”至“十四五”规划中，脑与认知科学以及脑机接口都是其中的重点发展方向。在科幻作品里，脑机接口往往会让人类变成“超人”，获得快速学习或是控制机体的能力。但在现实中，研究者的首要目标并不是给普通人“锦上添花”，而是给残障、脑损伤、神经退行性疾病患者“雪中送炭”，让他们提高与外界交流的能力，改善生活质量。目前脑机接口的产品大部分用于脑卒中后偏瘫康复的治疗（郑金书等， 2021）。

在精神障碍领域，神经反馈技术可以治疗恐惧症，患者不用经历“暴露疗法”就可进行无意识的治疗（Taschereau Dumouchel et al.， 2018）。研究者通过记录“健康参与者”在看蜘蛛或蛇时的大脑活动得到“模板”。通过潜在模板信号，参与者可以通过使用诸如“变化的圆圈”之类的神经强化机制在完全不知道自己正在进行恐惧训练的情况下进行神经反馈学习。训练成功地减少了参与者与恐惧事件相关的大脑活动，在最终观看恐惧的圖像时，他们表现出出汗减少和杏仁核的活跃程度降低。

此外，最新研究发现基于EEG的长期神经反馈训练可能是改善情感障碍的有效工具，具有较好的临床转化前景。研究者设计了一个基于EEG的实时BCI系统，供参与者调节情绪（包括正性、负性或者中性情绪）。实验结果表明，参与者通过BCI神经反馈训练提高了调节情绪的能力（Huang et al.， 2021）。

2 扩展现实在精神障碍领域的应用

元宇宙中的扩展现实（Extended Reality， XR）包含虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality， AR）及混合现实（Mixed Reality， MR），目前VR发展最为成熟。而扩展现实技术的发展有利于促进传统行为疗法与虚拟现实等的深度融合，通过虚拟场景的设置与呈现部分代替咨询者和来访者的互动以实现来访者认知与观念的重塑和技能的提升（刘燊燊， 柏江竹， 2022）。

大部分VR干预心理健康的研究集中在治疗焦虑症和缓解疼痛上，甚至可以作为半自助应用程序使用。虚拟现实可以很容易地向患者展示虚拟的等价刺激，方便使用暴露疗法（用于焦虑症障碍）或者沉浸式游戏进行分心（减轻疼痛），或者使患者处于平静自然的环境（放松疗法）等（Lindner et al.， 2019）。其中，虚拟现实暴露疗法最为成熟（王雪， 王广新， 2014），对社交焦虑症（王希等， 2017）、蜘蛛恐惧症（邹湘等， 2021）、贪食症和暴食症（王姬等， 2021）、抑郁症（Abend et al.， 2016）等均有效。

此外，将抑郁认知行为治疗放置在VR中，可以使患者沉浸在虚拟环境中。利用虚拟现实独特的体验进行抗抑郁治疗，可以转化为非常规的临床应用。认知行为疗法通常鼓励人们尽可能客观地看待事物，驳斥认知负面的情绪。最近开发的针对抑郁症的VR干预教导，就可以鼓励青少年健康心理成长（Lindner et al.， 2019）。

最后，自动VR认知疗法还有助于改善精神病患者的回避和痛苦。346名有广场恐怖症症状的患者在VR治疗六周后有所改善，并且症状强度越大，治疗效果就越明显（Freeman et al.， 2022）。这是第一个在精神病患者群体中成功展示出积极效果的数字疗法，也是有史以来规模最大的一次将VR用于心理健康临床试验的尝试。

3 脑机接口+扩展现实在精神障碍领域的应用

既然脑机接口和扩展现实都在医疗领域有重要应用，那么二者结合的着力点具体在哪里呢？是否可以在某些应用领域结合并产生一加一大于二的效果呢？相关研究者进行了初步探讨：一方面，从扩展现实输入技术（传感等）角度来看，脑机接口系统能够革新传统扩展现实系统输入的方式，将改变与虚拟环境相互影响的方式；脑机接口系统比传统扩展现实系统输入方式更直观，可视为类似感官与虚拟环境的交互与控制（马赟赟等， 2007）。另一方面，从扩展现实输出技术（显示等）角度来看，扩展现实系统在脑机接口系统中也将成为有用的信息反馈利器。传统研究采用声音、文字、二维图像等刺激材料，与参与者实际生活场景差别较大，而扩展现实生成的沉浸式三维环境可以创造多种感觉刺激，患者可以在更加接近现实的环境中产生质量更高的EEG，从而提高脑机接口的性能（李颖洁等， 2021; 杨帮华等， 2011）。

目前，脑机接口+扩展现实技术的临床应用在运动康复方面相对较成熟。已有研究发现脑机接口+扩展现实可用于偏瘫患者的肢体康复、感知觉训练、平衡训练及康复后期的作业训练（胡永林等， 2022; 郑金书等， 2021）。例如，采用脑机接口康复训练系统构建认知运动双重任务训练刺激，经过两周训练后，脑机接口组患者平均脑参与度指数显著高于对照组，整体提升近20%，表明患者认知注意及信息处理能力均有明显改善（Yuan et al.， 2021）。

那么，在精神领域又是怎么样的呢？神经反馈训练一般采取视频、游戏等人机交互方式进行，有趣而非侵入，易被人们接受。随着技术的更新及患者需求的升级，传统的2D视觉反馈已经被更复杂的3D虚拟现实场景所取代。近年来，在游戏与学习联盟国际会议上就报告了VR-EEG神经反馈范式下的患者体验。该研究不仅考虑了VR反馈的积极体验，还调查了其消极影响，如晕屏、头部压力感等（Berger et al.， 2021）。并且脑机接口+扩展现实产品在多动症（Sonuga-Barke et al.， 2013）、孤独症（El-Shehaly et al.， 2013）等方面进行了初步探索。

多动症是一种最常见的儿童神经类疾病，其主要病症为注意力不集中、多动等（Boland， 2015）。目前应用比较广泛的是药物治疗以及心理行为干预治疗、控制饮食方法、补充营养品等非药物疗法，但是这些方法的治疗效果也比较有限。神经反馈作为一种非药物治疗方法在治疗多动症儿童方面表现出了较大潜力。Lim等（2012）开发了一种基于脑机接口的注意力训练游戏系统，通过脑电信号测量患者注意力水平以进行训练，该系统被证明有助于改善注意力缺陷多动障碍儿童的注意力。并且，元分析研究筛选出八项研究进行综合分析，其结论指出，神经反馈对ADHD治疗效果显著，其治疗效果的评价来源于与参与者较为亲近的人（Sonuga-Barke et al.， 2013）。此外，也有研究者采用三维虚拟现实多难度游戏系统，其设置的初衷是提高治疗体验，通过治疗、游戏融合等手段吸引患者并使其保持治疗热情，这些治疗更容易被儿童接受，可以提高其治疗兴趣。Arpaia等（2020）开发了一种增强现实场景下的稳态视觉诱发电位脑机接口，实现多动症儿童对社交机器人较高精度的控制，改善患者的注意力缺陷。

孤独症是一种发育障碍类疾病，病程可持续一生，且患病率逐年升高。目前，孤独症在全球的发病率约为0.62%～0.7%（Elsabbagh et al.， 2012）。传统的孤独症治疗主要包括行为干预、药物治疗和饮食治疗等，而利用脑机接口的神经反馈治疗方式正在针对孤独症儿童的康复训练中承担重要角色。Pineda等（2014）则通过搭建基于脑机接口的神经反馈任务，通过要求孤独症儿童对脑活动控制至预期范围，实现了孤独症儿童行为表现的好轉。Carlos等（2018）发现，通过在虚拟现实场景中进行为期四个月的 P300 脑机接口注意力干预训练，高功能孤独症儿童的症状表现和相关生理指标得到了显著改善。此外，将虚拟现实引入神经反馈的研究也受到广泛关注。ElShehaly等（2013）设计了基于X3D的VR干预工具脑机接口系统，为孤独症患者提供全新的场景体验，包括进入教室、选择座位和参加小组活动等。患者可以在第一人称或第三人称模式下控制虚拟场景，不受实时社会压力或制约因素的限制。这种沉浸式虚拟环境的设计易于交互和即时反馈，可以加强患者的神经反馈调节，从而改善患者病症。

4 脑机接口+扩展现实在精神障碍领域的展望

中国精神卫生调查结果显示，在精神障碍中，焦虑障碍患病率为4.98%（Huang et al.， 2019），成人抑郁障碍终生患病率高达6.8%（Lu et al.， 2021）。每一个数字背后，可能都是一个被改变的人生。脑机接口和扩展现实的结合使用除了在多动症、孤独症等神经发育障碍方面有疗效，是否在其他精神障碍领域方面也可以发挥类似的作用呢？

在情感障碍方面，目前大多数是采用脑机接口技术（Huang et al.， 2021）和扩展现实技术（Freeman et al.， 2022）分别从不同的角度进行治疗，但是脑机接口可能为虚拟现实暴露疗法带来全新的可能性。传统虚拟现实暴露疗法可能产生过度暴露或暴露不足的情况，使得患者不能处于合适的情境中，并且开发难度大、费用高，会导致场景过于单一，不能满足同一患者在不同时期、不同恐惧状态下对不同场景的需求，而脑机接口恰好可以解决这两个问题。一方面，脑机接口可以实时监测患者在虚拟现实暴露治疗过程中各种大脑指标，从科学角度反馈患者最真实的情绪和健康状态，避免出现过度暴露或暴露不足的情况；另一方面，虚拟现实设备可以根据脑机接口对患者大脑情况的反馈自动调节其所产生的恐怖情景模拟，实现“景随脑动”，由此暴露疗法、虚拟现实、脑机接口形成闭环，暴露疗法的效率将大幅提升。从而实现集监测与干预一体化的普适性平台。

在认知障碍方面，前人研究发现，VR导航测试可能比我们目前在临床和研究中使用的认知测试更能识别早期阿尔茨海默症（Howett et al.， 2019）。那么，脑机接口+扩展现实是否也可能帮助阿尔茨海默症患者重新建立起认知与现实的桥梁呢？一方面，可以尝试让患者在复刻现实的虚拟世界中，重新开始现实世界的训练，并且检测患者在这一过程中各种大脑指标，从科学角度反馈患者最真实的情绪和健康状态。那么就有可能形成阿尔茨海默症的正向干预，让患者重建与现实的连接。另一方面，患者就可以利用脑电信号控制计算机中的虚拟游戏人物灵活移动、躲避障碍，实现在虚拟世界中“跑酷”。经过特征提取和模式识别分类算法，就能使其控制游戏人物向不同方向运动，从而训练患者的反应力、注意力、空间想象力和记忆力，锻炼脑力，提升大脑细胞兴奋性，减缓脑功能退化，实现对阿尔茨海默症的预防作用（郑亢等， 2019）。

最后，随着扩展现实技术在沉浸、交互、便携等方面的提升以及脑机接口技术在准确、安全、便携等方面的提升，将有可能实现千人千面、如影随形的专属虚拟医生。虚拟数字人不仅可以成为真实人的虚拟化身，让人在身临其境的环境中进行治疗，还可以发展出现实生活中不存在的虚拟化身（彭影彤等， 2022），成为人们的朋友和医生，随时随地进行陪伴和治疗。例如，当脑机接口设备监测到人体发育、认知、情绪等方面异常，扩展现实设备即可跳出专属智能虚拟化身，进行及时的并且个性化的干预治疗和陪伴。

5 元宇宙的局限

元宇宙降临，新世界开启。元宇宙作为新赛道，概念未定，技术待成，场景未展，不可避免存在争议的声音（赵星等， 2022）。在元宇宙中由于虛实结合产生的高自由度、时空变革等，可能产生的问题包括数据隐私和安全、现实和虚拟认知模糊、个体差异性和神经解码困难等。

首先，数据隐私和安全尚未得到解决。精神类信息高度敏感，大多数人对数据泄露和隐私安全都深感忧虑。从信息安全角度看，一旦未来脑机接口可以有效读取脑内信息，甚至通过对神经活动的调控向脑内“写入”信息，就会伴随信息内容泄露、对脑活动的恶意干扰甚至操纵等风险。尽早制定更全面、更严格的身份认证、信息加密、系统防护标准，开发恶意侵入检测技术和相应的保护机制，从而促进脑机接口和扩展现实的安全应用（Behr et al.， 2014）。

其次，现实和虚拟认知模糊导致各类精神疾病。平行宇宙观、融合宇宙观和进化宇宙观三类理论观点，分别汇聚出复刻现实、增强现实和超脱现实三种技术发展路径（赵星等， 2022）。然而随着虚实结合的深度交融，可能会带来现实和虚拟认知模糊等问题；而对VR的过度使用也可能导致各类精神疾病。人们过度沉浸于虚拟世界，会影响其在现实世界里的生活，甚至会引发心理障碍和生理失调，如自我感丧失、现实感丧失、晕动症、网络怠工（刘燊燊， 柏江竹， 2022; Behr et al.， 2014; Zoghbi Manrique De Lara， 2012）。

最后，大脑信号解码困难，个体差异性大。目前，还不清楚大脑各个区域的活动与人的精巧动作、情绪等存在怎样的对应关系。以瑞金医院功能神经外科的难治性抑郁症诊疗为例，虽然取得了临床试验效果，找到了有效的脑深部电刺激区域，但背后的神经机理还不清楚。此外，还存在个体差异性的问题。以脑卒中为例，它的致病和治疗机理是比较明确的，但患者的个体差异性和脑损伤程度不同会影响脑机接口采集的脑电信号质量，进而影响训练效果。 因此，需要收集更多的临床数据来提高准确性（胡永林等， 2022）。

6 结语

目前元宇宙中的脑机+扩展现实的产品是给各种脑损伤、神经退行性疾病患者“雪中送炭”，让他们提高与外界交流的能力，改善生活质量。首先，大部分还是用于脑疾病相关的辅助康复治疗，特别是脑卒中的治疗方案发展最为成熟（Huang et al.， 2021）。 其次， 孤独症（ElShehaly et al.， 2013）、多动症（Sonuga Barke et al.， 2013）等神经发育障碍疾病，在实验室当中进行了初步尝试，并且取得了一定成果。最后，抑郁症（Lindner et al.， 2019）、恐惧症（Taschereau Dumouchel et al.， 2018）等情绪障碍疾病在扩展现实和脑机接口领域各自有探索，目前还未出现脑机接口+扩展现实产品的整合方案，需要进一步探索。相信随着扩展现实和脑机接口技术研究的深入，二者在医疗健康领域的应用场景也将会更加多元。

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