北大學(xué)生體驗(yàn)插翅飛行，僅一周后大腦就以為人長了翅膀

近日，Cell Reports報(bào)道了來自北京大學(xué)的一項(xiàng)新奇研究：人類在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）世界里帶翅飛行，大腦會(huì)怎么處理虛擬出的身體部位？這項(xiàng)研究最終有些出乎意料地表明，大腦不僅適應(yīng)了新的工具、新的動(dòng)作，甚至可能在短時(shí)間內(nèi)，為一種人類從未擁有過的肢體建立起表征。研究者繼而追問：當(dāng)技術(shù)開始為人類創(chuàng)造新的身體經(jīng)驗(yàn)時(shí)，它是否會(huì)改變我們理解世界的方式？

撰文 | 黃雨佳

如果可以選擇一種超能力，你最想擁有什么？

對(duì)于北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院的畢彥超教授而言，這個(gè)問題的答案很明確，那便是飛翔。她曾不止一次想象過飛翔的感覺，幻想自己像漫威電影《X戰(zhàn)警》（X-Men）中的超級(jí)英雄“天使”一樣，從背后生出一對(duì)巨大的翅膀，像鳥一樣飛向天空。

2023年春天，畢彥超與同事魏坤琳教授聊天時(shí)，聽說魏坤琳的實(shí)驗(yàn)室里有一套虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）裝置，便半開玩笑地說起了自己的飛翔之夢(mèng)。有著“叨叨魏”（Dr.魏）之稱的“網(wǎng)紅”科學(xué)家魏坤琳一直對(duì)VR如何影響人腦感興趣，他的課題組一直在用VR設(shè)備研究人的運(yùn)動(dòng)感知，在VR任務(wù)設(shè)計(jì)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，而畢彥超團(tuán)隊(duì)則更擅長解讀大腦如何處理各類信息，于是二人一拍即合。

對(duì)畢彥超而言，擁有翅膀、學(xué)會(huì)飛行不僅會(huì)改變?nèi)藗兛创麄€(gè)世界的方式，還意味著突破了人類在演化上的限制。人類從未擁有過翅膀，漫長的演化只給了我們雙手、雙腳和直立行走的身體。對(duì)魏坤琳來說，VR恰恰是一種探索演化之外可能性的方式。他說：“人類發(fā)明了工具，讓工具成為身體的延伸，可工具并不屬于我們的身體。我們?cè)谘莼^程中從未擁有過虛擬的身體，那么大腦會(huì)如何表征它呢？”

研究團(tuán)隊(duì)使用VR設(shè)備探究人類大腦如何適應(yīng)從未在演化過程中經(jīng)歷過的體驗(yàn)｜受訪者供圖（制圖：陳珍）

借由VR裝置，我們可以在虛擬世界中擁有一具新的身體，甚至擁有一雙虛擬翅膀，能夠在天空中肆意翱翔。在一篇近日發(fā)表于《細(xì)胞·報(bào)告》[1]（Cell Reports）的論文中，畢彥超團(tuán)隊(duì)和魏坤琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)合作，讓25名受試者獲得了這種體驗(yàn)。他們想知道，當(dāng)受試者短暫地“長出”一雙虛擬翅膀后，其大腦會(huì)發(fā)生怎樣的變化。

發(fā)表的論文截圖 | 圖源：Cell Press

訓(xùn)練一雙不存在的翅膀

為了讓普通人體驗(yàn)這對(duì)虛擬翅膀，研究團(tuán)隊(duì)在北大樹洞上招募了一批在校學(xué)生作為受試者。受試者們需要參加一場(chǎng)為期一周的VR飛行訓(xùn)練，一共四次，每次大約半小時(shí)。

每次訓(xùn)練開始前，受試者都會(huì)戴上VR頭顯，沉浸式地進(jìn)入一個(gè)專為“鳥人”準(zhǔn)備的虛擬世界。與此同時(shí)，研究人員會(huì)在他們的手臂和手腕等位置綁上動(dòng)作捕捉裝置。房間里的攝像頭則會(huì)追蹤這些裝置的位置和運(yùn)動(dòng)，并將受試者在現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作實(shí)時(shí)映射到虛擬世界中。

一位受試者在做“飛行訓(xùn)練” | 受訪者供圖

受試者首先會(huì)來到一間虛擬的游戲大廳，站在一面虛擬的鏡子前，第一次看見自己全新的身體——一個(gè)長著巨大棕紅色翅膀的“鳥人”。只要他們揮動(dòng)手臂，鏡子里的翅膀便會(huì)跟著扇動(dòng)；而當(dāng)他們轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)手腕，其翅膀的羽翼也會(huì)隨之輕輕擺動(dòng)。他們還需要完成一些與飛行無關(guān)的小任務(wù)，譬如讓翅膀擺出指定姿勢(shì)，或是用翅膀扇出氣流，吹開從空中飛來的小球。

等到他們逐漸熟悉這雙翅膀后，真正的飛行訓(xùn)練便開始了。在虛擬世界中，受試者來到一片開闊的崖壁，在一些任務(wù)中，他們需要盡量飛得更高；而在另一些任務(wù)中，他們則要努力維持高度；還有些任務(wù)則要求他們像游戲《飛揚(yáng)的小鳥》（Flappy Bird）中的主角一樣精準(zhǔn)地控制飛行高度，從一個(gè)個(gè)懸浮在空中的圓環(huán)中穿過去。

在完成這些飛行任務(wù)時(shí)，受試者的注意力幾乎全都被眼前的天空和飛行目標(biāo)所吸引。因此他們很難一邊飛行一邊回頭觀察自己的翅膀究竟擺出了什么姿態(tài)，只能憑借自己對(duì)這對(duì)翅膀的感覺，細(xì)微地調(diào)整手臂和手腕的動(dòng)作，再從身體上升或下降的結(jié)果中，慢慢摸索出控制飛行的方法。

或許在你的想象中，只要用力撲騰“翅膀”，就能讓自己越飛越高。但其實(shí)，真正的飛行并非如此。

為了讓受試者獲得盡可能真實(shí)的飛行體驗(yàn)，論文的共同第一作者、畢彥超團(tuán)隊(duì)的博士后蔡依洋曾經(jīng)仔細(xì)研究了鳥類的翅膀結(jié)構(gòu)。鳥的翅膀和人的手臂一樣，也可以大致分為三段。但和人類手臂不同的是，鳥翼末端，也就是相當(dāng)于人類手腕到指尖的部分，占據(jù)了格外大的羽翼面積。

蔡依洋在魏坤琳課題組讀博時(shí)，曾利用VR設(shè)備研究人類的主動(dòng)控制感，即當(dāng)我們主動(dòng)發(fā)起某個(gè)動(dòng)作時(shí)，如何才能意識(shí)到自己是動(dòng)作的主人。基于這些研究經(jīng)驗(yàn)，她既將鳥類翅膀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)融入了VR飛行訓(xùn)練的設(shè)計(jì)中，同時(shí)又通過一個(gè)個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)，讓受試者將虛擬翅膀的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作與自己的主動(dòng)控制逐步聯(lián)系起來。

此外，蔡依洋還在VR系統(tǒng)中模擬了鳥類飛行涉及的空氣動(dòng)力學(xué)原理，她將鳥類的飛行方式比作了“空中的蛙泳”。論文的另一位共同第一作者、畢彥超團(tuán)隊(duì)的博士研究生熊子羿則解釋道：“當(dāng)你將翅膀向上抬起時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)反而會(huì)讓你往下掉。因此，你需要進(jìn)行一系列調(diào)整，控制翅膀與空氣的接觸面積，以及翅膀扇動(dòng)的速度。”

可知道原理和真正會(huì)飛是兩碼事。即便是作為訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)者的蔡依洋，當(dāng)她親自戴上VR設(shè)備、進(jìn)入虛擬世界試飛時(shí)，也仍然感覺很吃力。她說：“我一開始怎么都飛不好，直到后來才慢慢輕松起來。”蔡依洋曾一遍遍親自試飛，逐項(xiàng)調(diào)整飛行中的物理參數(shù)和任務(wù)目標(biāo)，才終于將訓(xùn)練的難度調(diào)節(jié)到了適中的程度。

但真正學(xué)會(huì)飛行從來都不是一件容易的事。即便飛行難度已經(jīng)調(diào)整到了適中的程度，即便蔡依洋和熊子羿會(huì)在訓(xùn)練開始前向受試者簡(jiǎn)單介紹鳥類飛行的基本原理，甚至在某些受試者遲遲找不到飛行竅門時(shí)適當(dāng)給出提示，但在第一次訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，幾乎每個(gè)受試者都會(huì)滿頭大汗。

也曾有受試者對(duì)熊子羿抱怨稱，任務(wù)是實(shí)在是太難了。每當(dāng)這時(shí)，熊子羿便會(huì)安慰他們：“沒關(guān)系，等你下次來的時(shí)候就不一樣了。”

而事實(shí)也的確如此。隨著訓(xùn)練逐步推進(jìn)，受試者的進(jìn)步清晰可見。到了第三次或第四次訓(xùn)練時(shí)，絕大多數(shù)受試者都學(xué)會(huì)了用虛擬翅膀飛行，他們能夠穩(wěn)定地控制高度，也能更準(zhǔn)確地穿過空中的圓環(huán)。訓(xùn)練后的問卷調(diào)查結(jié)果也顯示，受試者普遍覺得，自己對(duì)翅膀的主觀控制感正不斷增強(qiáng)，這讓蔡依洋有些驚訝。

熊子羿表示，一旦受試者真正理解了用翅膀飛行的機(jī)制，他們的表現(xiàn)就會(huì)明顯改善。不過他也承認(rèn)，有一兩位受試者仿佛是“天生圣體”，從一開始就飛得很好。

當(dāng)大腦把翅膀當(dāng)作肢體

經(jīng)過為期一周的訓(xùn)練，受試者在虛擬世界里學(xué)會(huì)了一套飛行的方法。他們知道怎樣揮動(dòng)翅膀，怎樣讓身體在空中保持穩(wěn)定。但對(duì)于這項(xiàng)研究而言，真正核心的科學(xué)問題并非僅僅是讓人學(xué)會(huì)用翅膀飛翔。

研究團(tuán)隊(duì)更關(guān)心的是，在這段親身體驗(yàn)之后，受試者是否會(huì)以一種新的方式理解翅膀。過去，翅膀?qū)λ麄兌灾皇莿?dòng)物身上的結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在，翅膀不再只是一個(gè)被觀看的對(duì)象。受試者只有親身經(jīng)歷這一切，才會(huì)意識(shí)到他們是在使用自己的身體來操控翅膀。而這種新的經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)在大腦中留下痕跡，改變大腦對(duì)翅膀的加工方式。

為了尋找這些變化，研究人員讓受試者在為期一周的訓(xùn)練開始前和結(jié)束后各接受了一次大腦的核磁共振成像掃描。他們讓受試者在接受核磁共振成像的同時(shí)觀看一系列圖片，觀察受試者大腦對(duì)圖片中物體的響應(yīng)。這些圖片既包括不同類型的鳥類翅膀，也包括尾巴等其他非人體部位，以及人類身體的不同部位，譬如上肢、下肢和面部，還包括斧子、椅子等人造物。

實(shí)驗(yàn)流程丨圖源：熊子羿

研究結(jié)果顯示，經(jīng)過一周的飛行訓(xùn)練后，受試者大腦的視覺皮層的確實(shí)發(fā)生了明顯變化。訓(xùn)練結(jié)束后，當(dāng)受試者再次看到翅膀圖片時(shí)，他們的視覺皮層變得比訓(xùn)練前更加活躍。更有意思的是，他們大腦加工翅膀圖片的方式也發(fā)生了變化：視覺皮層中的神經(jīng)活動(dòng)模式開始變得更像他們看到上肢圖片時(shí)的活動(dòng)模式。

畢彥超解釋道：“人的視覺皮層對(duì)身體部位格外敏感。當(dāng)我們看到手、腳、臉等身體部位時(shí)，大腦通常會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反應(yīng)。視覺皮層中甚至有一些區(qū)域，會(huì)專門對(duì)四肢等身體部位的圖片作出反應(yīng)。”而他們的研究結(jié)果表明，經(jīng)過虛擬飛行訓(xùn)練后，翅膀在視覺皮層中的神經(jīng)表征開始表現(xiàn)出更高的“上肢相似性”。

而且，這種變化并非以改寫原本手臂的表征為代價(jià)。研究團(tuán)隊(duì)并未發(fā)現(xiàn)大腦視覺皮層對(duì)上肢圖片的表征發(fā)生顯著改變。也就是說，虛擬翅膀并沒有擠占手臂原有的神經(jīng)響應(yīng)模式，只不過經(jīng)過為期一周的訓(xùn)練，大腦對(duì)翅膀這一事物的理解更接近人類肢體了。

而這也讓虛擬翅膀和假肢形成了鮮明對(duì)比。過去的研究顯示，在假肢使用者的視覺皮層中，假肢的表征往往變得更不像上肢。畢彥超認(rèn)為，這是因?yàn)槿藗兪褂眉僦珪r(shí)，通常清楚地知道，假肢是在替代原本缺失的肢體，本質(zhì)上仍是一種外部工具。

可虛擬翅膀并非如此。熊子羿表示，之所以出現(xiàn)這種差別，關(guān)鍵在于當(dāng)受試者處于虛擬世界中時(shí)，由于無法看見自己真實(shí)的肢體，因此自然而然地將翅膀的形象、高度的變化這些視覺體驗(yàn)與自己的肢體運(yùn)動(dòng)之間建立了穩(wěn)定的聯(lián)系，即認(rèn)為是自己控制著翅膀，才帶來了一系列視覺變化。

換句話說，要讓人腦對(duì)翅膀的理解發(fā)生變化，重點(diǎn)并非讓受試者擁有翅膀，也并非讓受試者體驗(yàn)飛行，而是要讓受試者將肢體的運(yùn)動(dòng)解讀成自己是在用翅膀來飛行。譬如，在完成飛行任務(wù)時(shí)，受試者并未在視野中看見翅膀本身，但他們?nèi)匀粫?huì)將自己胳膊的運(yùn)動(dòng)解讀為翅膀的揮動(dòng)。而如果讓受試者在風(fēng)洞中體驗(yàn)用胳膊或機(jī)械翅膀飛行，則很可能達(dá)不到這樣的效果。

已有大量研究表明，我們的大腦具有可塑性，但這項(xiàng)研究將這個(gè)問題推向了更遠(yuǎn)的地方。這項(xiàng)研究表明，大腦不僅能適應(yīng)新的工具、新的動(dòng)作，甚至可能在短時(shí)間內(nèi)，為一種人類從未擁有過的肢體建立起表征。

在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，人們都認(rèn)為，生物體受到演化的約束，因此大腦的可塑性也是如此。但這項(xiàng)研究給出了一個(gè)不同的視角。畢彥超認(rèn)為，隨著技術(shù)的發(fā)展，人類或許可以創(chuàng)造出一些過去從未有過的身體經(jīng)驗(yàn)，讓大腦去適應(yīng)那些原本不屬于人類演化歷史的東西。大腦可以通過一系列抽象的機(jī)制，來重新理解一具陌生的身體如何運(yùn)作。“我們的研究讓人們對(duì)大腦可塑性邊界的理解發(fā)生了質(zhì)的變化。”她說道。

不過，這并不意味著大腦的可塑性是無限的。恰恰相反，這項(xiàng)研究提出了更多新的問題：大腦究竟能在多大程度上接納一種從未有過的身體形式？這種接納需要滿足哪些條件？如果受試者不是用胳膊來控制翅膀，而是用面部表情來控制，那么結(jié)果還會(huì)一樣嗎？還是說，當(dāng)學(xué)習(xí)過程讓受試者感到明顯不自然，甚至違背了他們對(duì)身體和運(yùn)動(dòng)的基本直覺，大腦就會(huì)把它擋在身體之外？對(duì)于這些問題，研究團(tuán)隊(duì)并沒有答案。

人類大腦適應(yīng)虛擬翅膀概念圖 | 受訪者供圖（陳珍制圖）

畢彥超也坦言，這項(xiàng)研究仍有不少局限。她說，在最理想的情況下，她希望能在每次訓(xùn)練結(jié)束后都對(duì)受試者進(jìn)行一次核磁共振掃描。這樣，他們就能看到大腦在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中是怎樣一步步變化的。但受限于種種現(xiàn)實(shí)因素，他們只能在受試者訓(xùn)練前后各掃描一次，因此只能看到受試者大腦訓(xùn)練前后的變化。

蔡依洋的遺憾則更多關(guān)乎飛行體驗(yàn)本身。作為虛擬飛行訓(xùn)練的設(shè)計(jì)者，她覺得現(xiàn)在的飛行體驗(yàn)還不夠逼真。她希望受試者能在飛行過程中體驗(yàn)到更多突發(fā)的環(huán)境變化，她也希望飛行任務(wù)可以更加豐富，不再只是讓受試者控制飛行高度或穿過圓環(huán)，還能讓他們體驗(yàn)控制飛行的角度。

虛擬身體時(shí)代，我們將如何理解自己？

這項(xiàng)研究也指向了一個(gè)更大的問題：當(dāng)技術(shù)開始為人類創(chuàng)造新的身體經(jīng)驗(yàn)時(shí)，它是否會(huì)改變我們理解世界的方式？

過去，人類想要認(rèn)識(shí)和理解翅膀，大多只能通過觀察、想象和語言描述，始終缺乏身體經(jīng)驗(yàn)，而VR技術(shù)的出現(xiàn)恰恰彌補(bǔ)了這種缺陷。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，我們可以擁有現(xiàn)實(shí)中不存在的身體，可以進(jìn)入現(xiàn)實(shí)中無法抵達(dá)的環(huán)境，也可以用從未屬于人類的感官和肢體與世界互動(dòng)。而這些新的體驗(yàn)，也會(huì)改變我們對(duì)世界的理解。

魏坤琳用大語言模型打了個(gè)比方。他指著一旁的桌子說道：“大語言模型的所有經(jīng)驗(yàn)都來自文字，因此，盡管它能從文本中知道桌子是什么，但它無法像人類一樣深刻地理解一張桌子。我們知道桌子可以推拉，可以倚靠，可以趴在上面寫字……我們對(duì)桌子的種種理解，很大程度上來自我們的身體與桌子之間發(fā)生過的種種互動(dòng)。翅膀也是如此。只有當(dāng)受試者真正用自己的肢體控制過翅膀在虛擬世界中飛行，他們才能更深刻地理解‘翅膀’。”

未來，當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、腦機(jī)接口和各種可穿戴設(shè)備繼續(xù)發(fā)展，人類或許會(huì)越來越頻繁地進(jìn)入新的身體形態(tài)。我們可能會(huì)在虛擬世界中擁有額外的肢體、更靈活的視角、更陌生的感官。

受試者完成為期一周的虛擬飛行訓(xùn)練后，當(dāng)他們摘下VR頭顯時(shí)，盡管那雙虛擬的翅膀已經(jīng)消失，但技術(shù)在他們大腦中留下的痕跡卻真實(shí)存在。“未來，我們可能會(huì)花很多時(shí)間在虛擬現(xiàn)實(shí)里待著。這些技術(shù)會(huì)對(duì)人腦產(chǎn)生什么影響？我們真的很感興趣。”魏坤琳感嘆道。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00398-0

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