虚拟现实VR促进大脑节律对神经可塑性、学习和记忆至关重要

瑞士洛桑联邦理工学院的两个实验室联合开发了一种独特的实验装置。该装置整合了非侵入性深层脑刺激、虚拟现实（VR）训练以及功能性磁共振成像（fMRI）技术，目的是增强人的空间记忆能力。发表在最新一期《科学进展》杂志上的这项研究成果，展示了通过向深层脑区施加无痛电脉冲，即可提升大脑能力的新技术。

在大鼠身上的一项新发现表明，在沉浸式虚拟现实环境中，大脑的反应与真实世界不同。

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这一发现可以帮助科学家理解大脑是如何将不同来源的感官信息整合在一起，从而形成我们周围世界的连贯画面的。它还可能为“虚拟现实疗法”铺平道路，用于治疗与学习和记忆相关的疾病，包括注意力缺陷多动障碍（ADHD）、自闭症、阿尔茨海默病、癫痫和抑郁症等。

Mayank Mehta博士是W. M. Keck神经物理中心的负责人，也是加州大学洛杉矶分校物理、神经病学、电子和计算机工程系的教授。他的实验室研究的是一个被称为海马体的大脑区域，它是学习和记忆（包括空间导航）的主要驱动力。为了了解其在学习和记忆中的作用，海马体已在大鼠执行空间导航任务时进行了广泛研究。

当大鼠四处走动时，大脑这部分的神经元以每秒8个脉冲(8 Hz)的速度同步电活动。这是一种被称为“θ节律”的脑电波，它是在60多年前被发现的。

θ波节律的中断也损害了大鼠的学习和记忆能力，包括学习和记忆迷宫路线的能力。相反，更强的θ波节奏似乎能提高大脑学习和保留感觉信息的能力。

因此，研究人员推测，提高θ波可以改善或恢复学习和记忆功能。但直到现在，还没有人能够加强这些脑电波。

海马体中神经元的损伤会干扰人们对空间的感知——“为什么阿尔茨海默病患者容易迷路，” Mehta博士说。他说，他怀疑θ波节律可能在这种感知中发挥了作用。为了验证这一假设，Mehta博士和他的同事们为大鼠发明了一种沉浸式虚拟现实环境，其沉浸性远远超过商业上可用的人类虚拟现实。

虚拟现实技术可以让大鼠看到自己的四肢和影子，消除了某些令人不安的感觉，比如头部运动和场景变化之间的延迟会让人头晕。

我们的虚拟现实是如此引人注目，” Mehta博士说，“大鼠喜欢跳进去，快乐地玩游戏。

为了测量大鼠的大脑节奏，研究人员将比人类头发还要细的微小电极植入大鼠大脑的神经元中。

“事实证明，当大鼠处于虚拟现实中时，神奇的事情会发生，” Mehta博士说，“他会去虚拟喷泉边喝水，在那里打个盹，四处看看，探索这个空间，就好像它是真实的一样。”

值得注意的是，Mehta博士说，与自然环境相比，当大鼠在虚拟空间中奔跑时，θ节律变得明显更强。

他表示：“当我们看到虚拟现实体验对θ节律增强的巨大影响时，我们被震惊了。”

答案是：大脑使用其他信息，比如平衡从一只脚到另一只脚的移动，你的头在空间中的加速度，你周围其他静止物体位置的相对变化，甚至空气对着你的脸移动的感觉来决定你在移动，而不是墙。

另一方面，一个人在虚拟现实世界中“移动”会体验到一种非常不同的刺激。

“我们的大脑一直在这样做，它在检查各种各样的事情，” Mehta博士说。不同的θ波节奏可能代表了大脑区域在收集所有信息的过程中相互交流的不同方式。

研究人员将这种从未见过的节奏称为“eta”。事实证明，这种节奏并不局限于虚拟现实环境：通过极其精确的电极放置，研究人员能够检测到大鼠在真实环境中行走的新节奏。然而，根据Mehta博士的说法，虚拟现实增强了eta节律——在过去60年里，无论是使用药物工具还是其他方法，都没有其他研究能如此强大地做到这一点。

以前的研究表明，节奏的精确频率对神经可塑性有很大影响，就像乐器的精确音高对于创造正确的旋律至关重要一样。这为设计VR疗法提供了一个前所未有的机会，可以重新调整和促进大脑节奏，并作为治疗学习和记忆障碍的一种方式。

“这是一项具有巨大潜力的新技术，”他说，“我们进入了一个新领域。”

这项研究近日发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上。

参考文献

Source：University of California, Los Angeles

Virtual Reality Boosts Brain Rhythms Crucial For Neuroplasticity, Learning and Memory

Reference：

Safaryan, K., Mehta, M.R. Enhanced hippocampal theta rhythmicity and emergence of eta oscillation in virtual reality. Nat Neurosci (2021). https://doi.org/10.1038/s41593-021-00871-z