為老鼠打造VR遊戲,發現虛擬實境或成阿茲海默症解方

這幾天,《自然:神經科學》期刊(Nature Neuroscience)發表了一篇新論文,引起了我的好奇。論文叫〈用VR增強海馬迴θ波與η波震盪的出現〉(Enhanced hippocampal theta rhythmicity and emergence of eta oscillation in virtual reality),我知道,這個題目聽起來很無聊,但研究成果卻是相當驚人。

先來看看論文摘要:

海馬迴θ波因為在神經可塑性、學習以及記憶扮演著關鍵作用,因此一向是重要的治療目標。但奇怪的是,θ波會因物種而異。在實驗中,我們讓老鼠在VR裡奔跑,證明了能夠增強老鼠的θ波,並且在CA1細胞層主要位於中間神經元中,出現了一種新的η波。因此,多重感官的體驗能控制海馬迴腦波。虛擬實境可以用來增強或控制腦波,並改變神經的動力、佈線,以及可塑性。


好了,接著我們講白話。

大家知道,海馬迴是大腦裡一個形狀很像海馬的構造,掌管著記憶和空間定位。比如阿茲海默症就是因為海馬迴受到損傷,才導致記憶力衰退與方向知覺喪失的症狀。

為了探索海馬迴的作用,「老鼠跑迷宮」是神經科學家的常見實驗手法,科學家會在老鼠的海馬迴區插入記錄神經細胞的電極,並透過餵食等獎勵,讓老鼠在開放式的迷宮自由跑動,隨著老鼠不同的行為,啟動對應的神經細胞,也發現海馬迴主要處理著空間定位與記憶,並證明海馬迴為我們扮演著「認知地圖」以及「導航」的功能。


而〈用VR增強海馬迴θ波與η波震盪的出現〉的論文也一樣用「老鼠跑迷宮」做實驗,只是來自UCLA的Mayank Mehta博士大開腦洞,想說不如讓老鼠跑VR迷宮吧!一樣是用電極觀測老鼠海馬迴的活動,卻沒想到得到完全不同的結果,也為學習、記憶相關的認知失調症狀,比如注意力不足過動症(ADHD)、自閉症(Autism)、阿茲海默症(Alzheimer’s disease)、癲癇(Epilepsy)、憂鬱症(Depression)帶來「VR療法」的全新可能性。

神經科學研究認為,當大腦電級活動顯示為8Hz的時候(也就是θ波頻率),會與老鼠的學習和記憶能力有關(能記得迷宮的路線)。因此作了一個假設,要是我們能增強θ波,就能激發更強的學習能力,並留住更多的感知資訊,直白的說,阿茲海默症有解啦。

只不過,假設歸假設,並沒有人找到增強θ波的方法,直到這份論文的「老鼠走VR迷宮」。

為了試試VR能不能增強老鼠的θ波,於是Mehta博士為老鼠量身打造了一套VR迷宮。在VR迷宮中,老鼠能夠看到自己的四肢和影子,也盡可能地讓畫面與動作的延遲降到最低,避免老鼠產生VR暈。Mehta博士自豪地表示:

我們的VR太逼真了,栩栩如生,讓這些老鼠在VR裡活潑快樂地跳來跳去!

這套VR迷宮的逼真程度,似乎成功唬住了老鼠,牠們甚至跑到虛擬噴泉喝水,並在噴泉附近小憩,彷彿虛擬實境迷宮是真的一般。而含金量高的發現來了——比起實體的迷宮,老鼠在虛擬迷宮產生了更多的θ波!為何如此呢?

Mehta博士解釋,這可能是因為大腦在辨別真實與模擬會產生不同的作用。比如說,當你走向一道門,門會變得愈來愈大,但為什麼你不會覺得是門往你移動?答案是,大腦也會參考其他資訊,比如走路時的速度感,空氣往你皮膚移動的觸感,或是周遭物件往後移動等等,因此做出你在移動的判斷。換句話說,我們在虛擬世界的移動與真實世界是不一樣的,或許這就是θ波增強的原因。Mehta博士表示:

我們的大腦總是不間斷地在確認各種資訊。不同的θ波,可能代表大腦用了不同的方式處理虛擬環境的資訊。

不僅是θ波,Mehta博士團隊也意外發現了另一種前所未見的η波。我們知道,神經元是由細胞體和被稱為樹突(dendrites)的卷鬚連接而成,他們在量測老鼠大腦時,發現細胞體與樹突各自產生不同頻率的腦波,就是η波。這讓Mehta博士大開眼界,神經的不同部分居然各自產生了不同的波,這是新的發現。至於η波代表著什麼?Mehta博士不敢肯定,他只說:

VR科技有著巨大的潛力,讓我們進入了一個全新的領域。


「意識是什麼?」這個實驗不禁讓我想到這個古老的哲學問題。意識無法測量,也沒有實體,但卻被認為是「智慧」的根源。研究大腦的科學家相信,等到我們「破解」大腦,就能找到智慧的秘密。隨著這些實驗一步步開拓我們的視野,讓我們逐漸透過了解大腦的運作,認識了這個「意識居住之所」,進一步找到修繕它的可能性。

近幾年來,VR在醫療上的應用愈來愈多,比方說HTC VIVE的Medical VR,就是一組試圖以VR翻轉醫療產業的團隊,從解剖教學、教材開發等醫療教育,到藥物開發、疼痛管理、復健等臨床應用,目前已經有許多很棒的產學合作及成果。或許,未來UCLA的Mehta博士可以和VIVE合作,一起用VR找到治療阿茲海默症的方法。

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