北大學生體驗插翅飛行，僅一周后大腦就以為人長了翅膀

近日，Cell Reports報道了來自北京大學的一項新奇研究：人類在虛擬現(xiàn)實（VR）世界里帶翅飛行，大腦會怎么處理虛擬出的身體部位？這項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、新的動作，甚至可能在短時間內(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：當技術(shù)開始為人類創(chuàng)造新的身體經(jīng)驗時，它是否會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？

對于北京大學心理與認知科學學院的畢彥超教授而言，這個問題的答案很明確，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）中的超級英雄“天使”一樣，從背后生出一對巨大的翅膀，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，聽說魏坤琳的實驗室里有一套虛擬現(xiàn)實（VR）裝置，便半開玩笑地說起了自己的飛翔之夢。有著“叨叨魏”（Dr.魏）之稱的“網(wǎng)紅”科學家魏坤琳一直對VR如何影響人腦感興趣，他的課題組一直在用VR設(shè)備研究人的運動感知，在VR任務(wù)設(shè)計方面有著豐富的經(jīng)驗，而畢彥超團隊則更擅長解讀大腦如何處理各類信息，于是二人一拍即合。

對畢彥超而言，擁有翅膀、學會飛行不僅會改變?nèi)藗兛创麄€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。我們在演化過程中從未擁有過虛擬的身體，那么大腦會如何表征它呢？”

研究團隊使用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｜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《細胞·報告》[1]（Cell Reports）的論文中，畢彥超團隊和魏坤琳團隊合作，讓25名受試者獲得了這種體驗。他們想知道，當受試者短暫地“長出”一雙虛擬翅膀后，其大腦會發(fā)生怎樣的變化。

發(fā)表的論文截圖 | 圖源：Cell Press

訓練一雙不存在的翅膀

為了讓普通人體驗這對虛擬翅膀，研究團隊在北大樹洞上招募了一批在校學生作為受試者。受試者們需要參加一場為期一周的VR飛行訓練，一共四次，每次大約半小時。

每次訓練開始前，受試者都會戴上VR頭顯，沉浸式地進入一個專為“鳥人”準備的虛擬世界。與此同時，研究人員會在他們的手臂和手腕等位置綁上動作捕捉裝置。房間里的攝像頭則會追蹤這些裝置的位置和運動，并將受試者在現(xiàn)實中的動作實時映射到虛擬世界中。

一位受試者在做“飛行訓練” | 受訪者供圖

受試者首先會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——一個長著巨大棕紅色翅膀的“鳥人”。只要他們揮動手臂，鏡子里的翅膀便會跟著扇動；而當他們轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)手腕，其翅膀的羽翼也會隨之輕輕擺動。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，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《飛揚的小鳥》（Flappy Bird）中的主角一樣精準地控制飛行高度，從一個個懸浮在空中的圓環(huán)中穿過去。

在完成這些飛行任務(wù)時，受試者的注意力幾乎全都被眼前的天空和飛行目標所吸引。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)，只能憑借自己對這對翅膀的感覺，細微地調(diào)整手臂和手腕的動作，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，真正的飛行并非如此。

為了讓受試者獲得盡可能真實的飛行體驗，論文的共同第一作者、畢彥超團隊的博士后蔡依洋曾經(jīng)仔細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，曾利用VR設(shè)備研究人類的主動控制感，即當我們主動發(fā)起某個動作時，如何才能意識到自己是動作的主人。基于這些研究經(jīng)驗，她既將鳥類翅膀的結(jié)構(gòu)特點融入了VR飛行訓練的設(shè)計中，同時又通過一個個任務(wù)設(shè)計，讓受試者將虛擬翅膀的結(jié)構(gòu)、動作與自己的主動控制逐步聯(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力學原理，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、畢彥超團隊的博士研究生熊子羿則解釋道：“當你將翅膀向上抬起時，空氣動力學反而會讓你往下掉。因此，你需要進行一系列調(diào)整，控制翅膀與空氣的接觸面積，以及翅膀扇動的速度。”

可知道原理和真正會飛是兩碼事。即便是作為訓練任務(wù)設(shè)計者的蔡依洋，當她親自戴上VR設(shè)備、進入虛擬世界試飛時，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，逐項調(diào)整飛行中的物理參數(shù)和任務(wù)目標，才終于將訓練的難度調(diào)節(jié)到了適中的程度。

但真正學會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在訓練開始前向受試者簡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適當給出提示，但在第一次訓練結(jié)束時，幾乎每個受試者都會滿頭大汗。

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

而事實也的確如此。隨著訓練逐步推進，受試者的進步清晰可見。到了第三次或第四次訓練時，絕大多數(shù)受試者都學會了用虛擬翅膀飛行，他們能夠穩(wěn)定地控制高度，也能更準確地穿過空中的圓環(huán)。訓練后的問卷調(diào)查結(jié)果也顯示，受試者普遍覺得，自己對翅膀的主觀控制感正不斷增強，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制，他們的表現(xiàn)就會明顯改善。不過他也承認，有一兩位受試者仿佛是“天生圣體”，從一開始就飛得很好。

當大腦把翅膀當作肢體

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

研究團隊更關(guān)心的是，在這段親身體驗之后，受試者是否會以一種新的方式理解翅膀。過去，翅膀?qū)λ麄兌灾皇莿游锷砩系慕Y(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在，翅膀不再只是一個被觀看的對象。受試者只有親身經(jīng)歷這一切，才會意識到他們是在使用自己的身體來操控翅膀。而這種新的經(jīng)驗可能會在大腦中留下痕跡，改變大腦對翅膀的加工方式。

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觀看一系列圖片，觀察受試者大腦對圖片中物體的響應(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。

實驗流程丨圖源：熊子羿

研究結(jié)果顯示，經(jīng)過一周的飛行訓練后，受試者大腦的視覺皮層的確實發(fā)生了明顯變化。訓練結(jié)束后，當受試者再次看到翅膀圖片時，他們的視覺皮層變得比訓練前更加活躍。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)活動模式開始變得更像他們看到上肢圖片時的活動模式。

畢彥超解釋道：“人的視覺皮層對身體部位格外敏感。當我們看到手、腳、臉等身體部位時，大腦通常會產(chǎn)生較強的反應(yīng)。視覺皮層中甚至有一些區(qū)域，會專門對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。研究團隊并未發(fā)現(xiàn)大腦視覺皮層對上肢圖片的表征發(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)過為期一周的訓練，大腦對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。畢彥超認為，這是因為人們使用假肢時，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)鍵在于當受試者處于虛擬世界中時，由于無法看見自己真實的肢體，因此自然而然地將翅膀的形象、高度的變化這些視覺體驗與自己的肢體運動之間建立了穩(wěn)定的聯(lián)系，即認為是自己控制著翅膀，才帶來了一系列視覺變化。

換句話說，要讓人腦對翅膀的理解發(fā)生變化，重點并非讓受試者擁有翅膀，也并非讓受試者體驗飛行，而是要讓受試者將肢體的運動解讀成自己是在用翅膀來飛行。譬如，在完成飛行任務(wù)時，受試者并未在視野中看見翅膀本身，但他們?nèi)匀粫⒆约焊觳驳倪\動解讀為翅膀的揮動。而如果讓受試者在風洞中體驗用胳膊或機械翅膀飛行，則很可能達不到這樣的效果。

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

在過去很長一段時間內(nèi)，人們都認為，生物體受到演化的約束，因此大腦的可塑性也是如此。但這項研究給出了一個不同的視角。畢彥超認為，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，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制，來重新理解一具陌生的身體如何運作。“我們的研究讓人們對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)果還會一樣嗎？還是說，當學習過程讓受試者感到明顯不自然，甚至違背了他們對身體和運動的基本直覺，大腦就會把它擋在身體之外？對于這些問題，研究團隊并沒有答案。

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，她希望能在每次訓練結(jié)束后都對受試者進行一次核磁共振掃描。這樣，他們就能看到大腦在整個學習過程中是怎樣一步步變化的。但受限于種種現(xiàn)實因素，他們只能在受試者訓練前后各掃描一次，因此只能看到受試者大腦訓練前后的變化。

蔡依洋的遺憾則更多關(guān)乎飛行體驗本身。作為虛擬飛行訓練的設(shè)計者，她覺得現(xiàn)在的飛行體驗還不夠逼真。她希望受試者能在飛行過程中體驗到更多突發(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)，還能讓他們體驗控制飛行的角度。

虛擬身體時代，我們將如何理解自己？

這項研究也指向了一個更大的問題：當技術(shù)開始為人類創(chuàng)造新的身體經(jīng)驗時，它是否會改變我們理解世界的方式？

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

魏坤琳用大語言模型打了個比方。他指著一旁的桌子說道：“大語言模型的所有經(jīng)驗都來自文字，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。翅膀也是如此。只有當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，當虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、腦機接口和各種可穿戴設(shè)備繼續(xù)發(fā)展，人類或許會越來越頻繁地進入新的身體形態(tài)。我們可能會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練后，當他們摘下VR頭顯時，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存在。“未來，我們可能會花很多時間在虛擬現(xiàn)實里待著。這些技術(shù)會對人腦產(chǎn)生什么影響？我們真的很感興趣。”魏坤琳感嘆道。

參考文獻

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

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