本文亮点：
虚拟现实环境有助于改善受损伤的复杂认知功能的康复；结合神经成像和VR提高生态有效性，产生实际收益；
摘要：
随着虚拟现实(VR)越来越多地应用于中风、创伤性脑损伤或注意力缺陷障碍等神经性疾病中，VR如何影响大脑的神经元活动和功能的问题变得至关重要。VR可以与神经成像相结合，为了解在神经康复训练期间目标大脑区域如何对刺激做出反应提供更好的解释。反过来，这最终可以用作治疗成功的预测指标。功能磁共振成像(fMRI)识别与血流相关的神经元活动，以高空间分辨率揭示激活模式如何变化，以及虚拟现实训练后的重组。便携式静息脑电(EEG)可以方便地让临床医生以高时间分辨率跟踪自发的脑电活动。功能近红外光谱(fNIRS)将功能磁共振成像的空间精度水平与脑电信号的便携性和高时间分辨率相结合，构成了虚拟环境下的一种理想的测量工具。这篇文章探讨了虚拟现实和同步神经成像在认知康复中的作用。本文发表在Neuroscience and Biobehavioral Reviews杂志。
关键词：虚拟现实；神经康复；fMRI；EEG；NIRS
1.前言
近年来，神经心理康复的治疗选择已经发展到利用虚拟现实（VR）等技术。虚拟环境不仅提供了潜在的更好的评估工具，还允许临床医生设计更精确的康复计划。
很少有人为正在接受神经康复治疗的人设计虚拟现实程序用于其重新训练日常生活活动。这个模拟日常生活活动的虚拟现实程序包括以提高认知功能的特定任务的练习。例如，旨在评估注意力缺陷多动障碍的虚拟“教室”、使用新的方法在用户之间交互的虚拟“杂货店购物”，或者虚拟现实工作记忆训练程序，其再现了参与者必须完成工作记忆任务的餐厅环境，该工作记忆任务包括重复一系列项目。
在过去的十几年中，VR的使用已经与传统和新的神经成像技术相结合，本质上产生了两种可能性:1)在VR培训计划之前和之后映射神经网络的前后方案，以及2)在VR任务期间实时渲染大脑活动。通常使用的神经成像技术有功能磁共振成像(fMRI)、脑电(EEG)和功能近红外光谱(fNIRS)。
由于神经心理学家提供治疗的潜在优势，虚拟现实与神经影像的结合在临床领域得到了越来越多的探索。Teo等人在最近的一篇综述中介绍了这些新的可能性。利用EEG和fNIRS技术了解到被试沉浸在VR中时受益于他们的大脑活动的不同环境。而Teo等人目前的文献综述主要集中在对神经病理(如脑瘫和帕金森病)的运动功能和平衡的再训练，或焦虑和创伤后应激障碍的暴露治疗，本文更深入地探究了fMRI，fNIRS，EEG与VR的结合，通过临床医生识别预测治疗成功的生物标记物，来支持各种认知功能的康复。尤其是中风、创伤性脑损伤(TBI)和注意力缺陷障碍(ADHD)，我们都特别感兴趣，因为它们是VR应用取得的最新进展的最好例证之一，也是同步神经监测可以向前迈出的有希望的一步。
正是对这一进步的考察构成了这篇论述的主要目的。具体地说，我们的观点是，当多模式神经成像和VR相结合时，可以单独优化神经康复计划，以反映出个体大脑活动模式受创伤影响的自然独特模式。本文首先简要概述了可以从这项技术中获益匪浅的病理学，然后探讨同步多模态神经成像如何为VR神经康复这一年轻领域带来附加值。
2.使用神经影像学评估VR训练对神经康复的影响：未来可期
神经成像通常被用来确定哪些特定的大脑区域对刺激或训练有反应以及反应程度的差异。最先进的临床神经成像可以更好地了解认知训练如何影响神经可塑性、区域脑体积、功能活动以及功能或结构连通性。fMRI扫描需要大型设备，它依赖于以高空间分辨率测量与血氧依赖相关的神经元活动，以确定哪些区域是激活最强的。EEG程序包括将电极放置在头皮上，以便以高时间分辨率记录与脑电活动相关的脑电波。然后以图表的形式呈现异常或者其它有价值的结果。最后，fNIRS使用近红外光谱范围，在这个范围内，人类皮肤和组织最透明，血红蛋白最明显。这种对比通过追踪血红蛋白和脱氧血红蛋白的路径，使得实时的大脑活动呈现成为可能。
在使用功能磁共振成像的研究中，参与者通常需要在躺在扫描仪中时尽可能保持头部和身体不动，因此任务通常是在VR环境中移动手指，该环境通过头盔显示器或通过MRI扫描仪内置的设备向他们显示刺激。另一种选择是在不同的时间点扫描被试，如治疗前、治疗期间和治疗后扫描。另一方面，EEG设备是便携的，因此被试可以选择直立坐着，甚至可以在受限区域内行走，这取决于实验设计的性质。正如Sangani等人(2015)指出fNIRS结合了两种方法的优点，因为它拥有类似于EEG的便携性和fMRI时间分辨率的便利性。例如，它允许患者在保持活动状态的情况下接受fNIRS成像(见图1)。这三种成像技术提供了不同的信息元素，选择哪种技术最好取决于所考察的VR培训的目标。
图1：结合了VR和触觉触摸的混合现实系统的实验设置
(a)参与者戴着NIRS帽在跑步机上行走以探究步态和姿势的感觉运动控制。在跑步机上摆动手臂会引起中风患者额叶和感觉运动皮质的整体激活。
(b)在跑步机侧面的触觉杆在指尖接触时提供体感输入。在轻触觉条件下的稳定行走导致患侧大脑半球的自发性激活增加，这从中风患者感觉运动皮质更对称的激活中可观察到。
（c） NIRS帽，显示发射器和检测器光电二极管的位置。
由EEG提供的时间信息通常足以用于涉及神经反馈的方案或在执行期间对大脑活动的简单监测。此外，更复杂的神经成像技术，如功能磁共振成像(fMRI)或功能近红外光谱(fNIRS)，不仅可以对激活的大脑区域进行精确的空间映射，还可以详细分析激活水平如何随着时间的推移而变化(例如VR培训计划的过程)。
在卒中方面，Teo等人讨论了治疗师在康复中使用VR所面临的一些挑战，其中大部分挑战源于早期的VR应用程序和游戏针对的是普通被试，因此没有足够的设备用于康复目的。开发人员一直在通过添加临床相关功能来逐步改进这一点，例如适应个人发展的强度分级、治疗师控制的任务难度和特征，以及记录动作以提供逼真的进展和运动恢复画面。当Teo等人结合使用VR与神经成像时，这些特征也被证明是VR应用于康复的一些关键优势。从他们的元分析中整理的，使用这项技术的结果通常是有益的，或者至少是无害的。这也是在随后的研究中观察到的，观察了传统的治疗前和治疗后监测，以及使用神经成像进行的更具创新性的虚拟环境(VE：virtualenvironments)内神经监测。
2.1 VR训练引起神经功能变化的神经影像学研究
在虚拟治疗过程中，能够同时监测大脑的功能恢复和可塑性变化是至关重要的。为了应对这一挑战，人们分别用EEG、fNIRS和fMRI进行了研究。
a.同步脑电图(EEG)监测通过VR训练帮助患者进步
第一次VR研究是使用EEG进行的。Badia等（2012）设计了一项实验，融合了混合脑机接口(BCI)和VR系统，再加上用于同时监测大脑活动的EEG。被试面向电脑坐着，电脑用于呈现虚拟环境，同时将他们的EEG记录传输到另一台计算机，形成脑机接口。目的是开发大脑的观察和执行机制。这项研究实际上包括两个实验:
第一个实验绘制不同训练模式下感觉运动区的大脑活动图，第二个实验评估让被试仅使用他们的意念控制虚拟肢体的可行性。有四种不同的情况：
1)被动观察：被试只观察到动作中的虚拟肢体；
2)肢体活动（motor activity）：被试观察到动作中的虚拟肢体，同时将其想象为自己的肢体；
3)肢体活动和运动想象：要求被试在脑海中想象虚拟肢体的动作，同时模仿这些动作；
4)运动想象：让被试在观看虚拟肢体执行动作的同时想象自己正在执行动作。被动观测条件是控制条件，因为它最有可能产生最低频率的波，用作比较其他三种条件的活动图的基线。
这项研究增加了神经反馈的功能，神经反馈是神经康复中一个日益增长的领域。虽然反馈可以有多种形式，但在这里，它由一个循环组成，该循环包括BCI、EEG、具有虚拟肢体的VR系统和参与者。BCI直接从EEG获得反馈，并学习将不同的EEG波分类为三个命令(不移动；移动右臂；移动左臂)中的一个，供参与者仅使用运动想象来控制虚拟肢体。为被动观察(控制)条件收集的数据结果显示，大多数活动位于较低的频段，在α/μ和β频段有一致的同步活动，这是缺乏运动活动的典型特征。当与其他三种条件产生的活动进行比较时，可以确定不同运动活动范式所要求的模式。
研究结果表明，在肢体活动和运动想象条件下，α/μ和β频段的神经同步性增强，与其他三种实验条件相比，该条件采用的任务相关的神经网络(task-related networks)最多。相反，肢体活动和运动想象(4)条件在β频段显示出相似的去同步化模式。此外，肢体活动条件触发了γ频段中的最低同步活动水平(甚至低于控制水平)。从激活模式可以看出，肢体活动条件(2)比肢体活动和运动想象条件(3)需要更少的注意力，但后者不仅是注意过程的征用，也是其他系统的征用。实验第二部分的结果表明，被试可以使用神经反馈回路通过图像控制虚拟肢体，但他们表现出比精确控制更好的功能。总而言之，这是一项适合患有严重运动障碍的患者的活动。而且，这是一个可以保持患者对康复任务的兴趣的实用工具，以及在家庭环境中的自主治疗非常有效的工具。
Steinisch等人进行了基于VR诱发的电生理变化的实时神经成像研究，在该研究中，他们评估了上肢活动能力的神经运动康复系统的设计和功能。该系统包括一个名为Track-Hold™的被动机器人设备，一套VR应用程序和高分辨率EEG记录。 Track- Hold的目的是记录运动活动，并在患者逐渐恢复对上肢的控制时提供重力平衡。同步记录EEG，以识别时间运动事件和活动最高的脑区。虽然这项研究招募了两名健康的右利手被试(一名50岁的男性和一名24岁的女性)，但作者明确指出，所使用的方案建议用于中风患者的康复。被试坐在办公桌前，右手置于在被动机器人设备上，面对着呈现VR任务的电脑屏幕。该装置没有为被试提供任何活动帮助，只有可调节的平衡身体的作用。这种设置的优点是将这三个组件集成到一个简单的界面中，该界面允许临床医生控制任务难度和其他特性、通过跟踪保持进行数据收集。
该研究测试了五个模拟人工智能的VR培训应用程序：Sponge,BugHunt, Grab 2D, Grab 3D, and Twirl。Sponge要求被试用一个圆周运动的小正方形“擦拭”屏幕，以显示屏幕下面的图片。Bug Hunt呈现了一只拿着一个苍蝇拍的虚拟手，被试必须操纵它来压扁出现在砖墙上任意位置的虫子。Grab 2D要求被试伸手抓住桌子上不同位置的各种常见物体(如咖啡杯或水果)，并将它们交给坐在桌子对面的虚拟角色。在Grab 3D中，被试需要用虚拟手去够到分散在花园中的蝴蝶；虚拟栅栏和阴影被用来帮助测量距离和深度。Twirl是通过沿着屏幕上显示为蓝色圆圈的圆形路径移动一个彩色正方形来展开黑白图像。每个应用程序运行5分钟，参与者尽可能多地重复试验（中间有七秒的休息时间）。被试 1和被试2的Grab 3D应用程序的激活如图2所示。
图2 3D VR应用期间两个参与者的源重建图像和解剖标记图
(a) 与Grab 3D训练应用程序相关的参与者1和2的激活图像，包括以线性方式将光标从设定位置移动到目标位置，映射到标准SPM8T1模板上。被试1的激活是红色的，被试2的激活是黄色的，两者共同的区域是橙色的
(b)在执行抓取3D任务时，被试1的活动体积的解剖标记图包括中央前回(初级运动皮质)、中央后回(初级体感皮质)、顶叶上部以及辅助和辅助前运动区，这意味着感觉运动网络被充分激活。
(c)被试2在执行抓取3D任务时的解剖标记图。
脑电源激活显示来自关键网络的结构，证实了VR任务的目标是正确的。例如，双侧颞中下回、左侧颞极和右侧梭形皮质的激活被认为是腹侧视觉通路的一部分，参与物体的视觉识别。相反，左侧中央后回、顶上小叶和双侧前叶的激活与背侧视觉通路有关，背侧视觉通路被认为是决定物体位置和运动特性的主流，而这是抓取东西所必需的。结果表明，该系统对中风患者是可行的，对被试来说使用方便，对于临床医生来说，EEG与运动学数据的结合可以精确跟踪患者的进展，并可通过收集的患者运动、大脑激活模式和临床测试组的信息进行验证。此外，由于VR任务涉及执行ADL所需的技能，因此它们对患者来说既相关又有趣。这个系统的存在一些缺点，例如，跟踪保持只测量手的运动，这对于需要更多信息的临床医生来说可能是有限的，例如关于肩部活动的信息。其次，考虑到它是一个被动的机器人设备，患者在使用该系统时仍然需要有一些最低形式的移动性才能从中受益。总体而言，它是中风后神经康复的一种很有前途的临床应用。
Cho等人(2004)从实时神经影像学的角度对虚拟现实诱发的神经功能改变进行了研究，提出了一个不同的实验，该实验针对的是一个在VR训练和神经成像结合方面研究较少的人群。对于患有多动症的青少年，使用头盔显示器(HMD)在虚拟课堂环境是典型的神经康复方法。然而，VES和神经成像在注意力缺陷或冲动等问题属性的康复中的应用仍然是相对较少被探索的。在这项研究中，作者观察了28名年龄在14岁到18岁之间的青少年男性，他们犯了罪并被隔离。虽然这些年轻人以前没有被诊断为ADHD，但对他们都有注意力不集中、冲动、多动和学习困难的症状。与他们2002年的研究类似，28名男性参与者被随机分配到三组中的一组：对照组(n=9)、VR组(n=10)和非VR组(n=9)。VR组和非VR组都能“体验”虚拟教室，但非VR组被试只能在监视器上看到图像，而VR组参与者戴着头盔和头部跟踪器，沉浸在虚拟教室中，可以在房间里四处张望，感觉就像真的在那里一样。
VR组和非VR组在两周的时间里接受了8次20分钟的治疗，而对照组在同一时期被列入候补名单。本实验采用脑电监测，以便进行神经反馈。在这项研究中，当涉及到注意力和冲动时，主要是由β波比造成的，所以当显示被试β波比率高于预定的基线阈值时，他们会获得VE中的积分。当积分累计时，他们看到一个恐龙蛋逐渐从桌子上升起，最终裂开释放出恐龙图像的拼图碎片。当图像完全拼凑在一起时，被试听到了恐龙的咆哮。
用连续操作测验(CPT)在治疗前测量注意能力。后处理结果显示，VR组和非VR组的正确命中率都有所增加，其中VR组的改善率明显高于VR组。佣金误差的减少也存在同样的关系。除第一次和第四次以外的八次治疗中每一次的平均β波比都较高相关。此外，VR组在治疗后表现出更快的反应时间，更高的注意力和更快的决策过程。这项研究为在出现注意力缺陷和冲动等症状时使用神经反馈进行神经康复提供了总体上有利的证据，这些症状几乎在所有ADHD患者中都很常见。
Snider等人(2013)进行了一项简单的研究，在该研究中，他们证实了全面沉浸式VR环境的适用性，并增加了被试在VE中完全移动时使用同步EEG记录的额外好处(有关设置的示例，请参见图3)。该研究的目标是评估潜在用户在这个完全身临其境的3D世界中会有多舒服，以及他们对VE的使用和他们在其中的感觉是否与临床应用兼容。因此，沉浸式环境中有两个幻影机器人来收集触觉数据，一个光电相空间系统来跟踪运动和头部运动，被试得到了20ft*20ft的完整3D渲染。通过头盔显示器的空间。所有收集的数据都传到一台计算机上，便于阅读和分析。为了证明在患有神经疾病的人群中的可行性，44名被试中有一半是帕金森氏症患者，另一半是年龄匹配的健康对照组。
虽然作者没有更详细地解释这些任务，但很明显，被试被要求完成reach-and-grasptasks（伸手抓的任务），其中一些任务需要在VE内至少30分钟才能正确完成。这样做的目的是为了确定被试可以在VE中舒适地停留多长时间，是否会出现任何疾病或不适。对于大多数被试来说，问卷显示他们在VE中感受到了高度的存在感，其中几个人选择了评价表中的最高等级。作者还指出，运动跟踪设备、用于沉浸式VR体验的头盔显示器和脑电记录设备的组合，允许以很小的总延迟40ms同时收集被试的神经和行为数据，这远远低于神经处理延迟。平均而言，被试需要20次试验才能掌握这项任务，在这一点上，成功率达到95%，即使是帕金森氏症患者也是如此。该系统被认为是治疗功能失调的大脑-行为关系的一种可行的新模式，例如在运动障碍的情况下。
图3：沉浸式的VR环境下同时进行脑电图监测设置示例
(A) 参与者身穿PhaseSpace紧身衣、头戴式显示器(Sensics公司，x-Sight6123)和移动脑电图系统(Biosemi公司)。
(B)用于传达参与者的实时位置数据的相空间系统组件。该系统被用来测试44名参与者对虚拟物体的接触和掌握情况，其中22人患有帕金森氏症。经过大约20次试验，所有参与者都充分熟悉了设备并适应了沉浸式环境，抓握成功率为95%。
(C)实时呈现的沉浸式虚拟环境
综上所述，个体脑电监测，无论是否集成到BCI中，都提供了一个很好的途径来探索大规模的临床VR应用，并可以在偏瘫等更普遍的运动功能的康复中发挥很大的作用，这些功能在被试只坐在办公桌的监视器前很难实现。鉴于EEG的低成本和便携性，它是一种相对要求不高的技术，特别是当激活某些区域是治疗的主要目标时，无论有没有神经反馈。选择作为下一代成像技术之一是合乎逻辑的选择。
b.使用fMRI/fNIRS的活体成像针对关键区域并优化训练结果
兼容fMRI的VR可用于评估和跟踪神经康复过程中的神经激活。与本文中的其他一些研究一样，第一个研究报告的目的是鉴定使用VR进行康复的大脑相关因素。与上文所述的i Badia的设计类似，Merians等 (2009)设计了一个能够追踪上肢运动，显示虚拟手并同时收集fMRI图像的三元系统触觉设备。在这一特定情形下，手和手臂的功能改善是训练系统的主要目标。在实验中，向参与者展示了一组模拟范例，其中包括在VE中执行的任务，这些任务会触发上肢的使用（即弹钢琴，伸手拿东西或抓住掉落的物体）。在第一个实验中，一组18名中风患者被分为三组，接受三种不同的训练模式(手，手和手臂，或双侧训练)，并在VE中完成上肢康复疗程。尽管作者没有从这些参与者那里收集任何影像数据，但临床测试显示患肢的运动功能明显改善。
就其本身而言，主实验包含VE中的两个条件：
1）参与者观看虚拟手进行某些活动，然后用自己的双手进行相同的活动；
2）参与者用自己的双手进行活动，并观看虚拟手的实时视觉反馈（由参与者移动自己的手来实现）。作者假设，使用未受影响的手来操纵与受影响的半球相对应的虚拟手会刺激病变半球的运动区域。结果证实，该技术可有效刺激受影响半球的感觉运动皮层活动。对于中风的参与者来说，当病人的左手虚拟手通过未受影响的手的运动而被激活时，他们的对侧(右)初级运动皮层明显被激活。健康的参与者也得到了类似的结果。
Prochnow(2013)等人以类似的方式将VR和功能磁共振成像相结合，提出了一项为神经病患者设计的基于虚拟现实的康复游戏系统（RGS）。Bermudez iBadia也研究了类似的装置。主要区别在于功能磁共振成像扫描是实验设计的一部分。参与者不是坐在桌子前由研究人员处理EEG数据，而是让他们仰卧在MRI扫描仪中，而刺激则通过连接到他们头部线圈上的镜子显示，反应在扫描仪室内的投影仪上显示的图像。测试的条件仍然非常相似，当参与者的虚拟形象站在一块开阔的场地前(以第一人称或第三人称的姿势)时，他们看到球随机地飞向他们。在动作条件(action condition)下，参与者需要使用虚拟肢体的手接住球。他们用右手或左手食指按下按钮来控制虚拟肢体“抓球”。在观察条件(observationcondition)下，要求参与者观察虚拟肢体接球。在想象条件(imaginationcondition)下，球在飞行中消失，参与者需要想象在正确的时间接球(也是用食指操作)。在这项研究中，参与者为10名健康男性和8名健康女性，平均年龄为24.3岁，均为右利手。
这个实验主要关注镜像神经元的康复特性，该镜像神经元主要位于额下回和前下顶叶。与作者的假设一致，扫描结果表明，在想象条件下，关键的感觉运动区域和镜像神经元网络被激活，特别是左辅助运动区(SMA ：supplementary motor area)，左额下回，左后脑岛，左中后回和左下顶叶。在动作条件下，额叶内侧回，右海马旁梭状回和左海马中的BOLD活动显著增加，而仅观察虚拟角色接球时(观察条件)，激活了双侧枕叶和颞叶，以及小脑，左侧后扣带皮层、右侧前扣带皮层和左侧额叶内侧回、右额上回。作者强调，尽管参与者使用双手，但大脑的左半球活动模式占主导地位。此外，第一人称视角的反应时间明显快于第三人称视角，想象条件下的反应时间比动作条件下的反应时间平均延迟55秒，前者的成功率仅约为75%。
许多研究已经表明，虚拟现实设备(VEs)可被操纵以选择性地激活特定的大脑区域，但下一项研究着眼于另一个基本问题:人们对虚拟现实的感知方式是否与客观物理现实相同？Beck等(2010)的研究中，采用fMRI收集的图像来比较参与者与VE内的三维物体交互时产生的激活模式，以及使用各种线分法(line bisectionparadigms)来评估物理世界中的视觉处理的研究记录的激活模式。向十二名健康男性参与者（平均年龄25.8岁）呈现水平或垂直放置的物体。每个对象的长度大约为60厘米（近距离）和150厘米（远距离）。要求参与者确定对象是否居中或偏向一侧。作者认为，如果人脑在VR环境中处理视觉刺激的方式与在现实世界中的方式相似，那么在两种环境中对应于物体视觉处理的大脑激活模式应该相似。
Beck等特别指出，需要进一步的研究来证实他们的发现，但他们的研究结果似乎表明，大脑在VR中处理物体的方式与在物理现实中不同。无论它们的方位如何，远空间条件下的物体大量激活了背侧结构，如上、下顶叶和中央后回，而近空间条件下的物体强烈激活了舌回和颞中回(腹侧通路)。作者指出，这与现实世界视觉处理研究的成像结果背道而驰，在视觉视觉研究中，靠近的物体越多地激活背侧通路，而远离的物体激活的腹侧通路。这表明虚拟现实中的对象似乎没有任何空间参考，被大脑像二维平面中的对象一样对待，且虚拟现实中观察到的距离不等于现实生活中的距离。然而，这种解释还必须考虑到可能会影响VR体验的真实性和真实性的因素，如图像的真实性，着色器和照明，或任何不协调的物理现实，可能改变多感官的整合和可信性的体验。Beck等(2010)的研究可能对利用虚拟现实的疗法有影响，因为它表明大脑可能不会像对待来自物理现实的视觉刺激那样对待来自VE的视觉刺激。但是，这不应成为在认知康复中使用VR的障碍；它应该成为该领域进一步研究的起点，以建立从VR中获得所有收益的最佳方法。
Holper等(2010、2013)采用fNIRS进行了一种不同的实验设计，强调通过使用镜像神经系统和VR的帮助来再次触发受损大脑区域的激活来实现上肢康复。他们设计了一个装置，让参与者看到他们的两只上肢对着自己躺在桌子上，就好像他们自己的四肢在电脑屏幕上伸展。参与者的手臂和手在物理现实中做出的动作是同步的，虚拟的肢体使用手臂位置传感器和数据手套进行镜像。目的是通过简单的观察运动来激发大脑中运动区域的激活。参与者被随机分配到两组:单侧监测、双侧监测。两组的差别在于大脑图像是只从左半球收集(参与者均为右利手)还是从两个半球收集。在本研究中，利用无线可穿戴设备，fNIRS无线技术用于监测次级运动区域。
单侧组的参与者在四种条件下接受测试：1）被动观察虚拟肢体的活动；2）在想象虚拟肢体活动的同时观察它们是自己的；3）想象自己在没有视觉输入的情况下执行动作；4）模仿虚拟肢体在屏幕上观看时所执行的动作。双侧扫描的一个功能是确认图像确实是从正确的一侧获取的。因此，在双侧组中，条件2和条件3被取消，因为预期它们产生的模式与已经收集到的模式相似。
结果显示，在单侧组中，参与者观察并模拟虚拟手动作的条件下(IM)，单侧组的平均血红蛋白增幅最大。在双侧组中，双侧大脑半球的氧血红蛋白平均增长最高的是在IM_L条件下，即参与者观察并模仿左手虚拟手的条件下。因此，要求使用非优势手时，次级运动区域(SMA)的激活增加。一名参与者的血液氧合变化的示例如图4所示。根据研究假设，虚拟现实任务激活了大脑的动作观察系统，便携式近红外光谱成像设备被证明是一种高效和舒适的成像选择，可用于测试和神经康复情况。
图4：在不同条件下从休息到刺激的血氧变化示例
在这四种情况下，单侧组参与者的氧合从静息(30s)到刺激(20s)都发生了变化。结果表明，单侧组在虚拟手抓握任务的表象和模仿条件下，氧合血红蛋白的平均变化显著。因此，参与者想象自己执行动作，并模仿虚拟肢体显示的动作，激活了对侧初级运动皮质、运动前皮质和辅助运动区的动作观察系统，这表明这是一种刺激瘫痪肢体的对侧半球活动可行的方法。
VR训练结合fMRI/fNIRS是消除脑部病变引起的部分症状的有力工具。VR中的任务可以有效地刺激局部大脑半球的感觉运动皮层活动，并且可以使用可穿戴设备中的fNIRS无线技术检测辅助运动区域。接受VR训练的参与者报告说，在干预之后，他们能够用他们受影响的手自发执行有用的动作，而这在之前是不可能的。
2.2使用事前神经影像测量（EEG和fMRI）通过认知训练识别VR神经功能改变和相关的生物标记
在VR培训计划中进行神经成像的主要原因之一是揭示由不同任务激活的大脑区域以及在整个活动过程或训练过程中被修改的神经网络。其背后的逻辑很简单。为了使VR产生治疗效果，它必须首先影响并改变大脑的神经元活动，从而引起行为改变。因此，追踪大脑不同区域的神经活动可以提供监测和预测治疗进展。
在对中风后神经康复的随访中，Comani等人(2015)提出了与Steinisch等人的可行性研究相同设置的单一病例研究设计。参与者是一位75岁的男性中风幸存者，右顶叶皮质受损，左臂运动障碍，使得在没有帮助的情况下进行日常生活自理(ADLs)非常困难或不可能。基于VR的康复在中风后21天开始。与之前的研究一样，该系统包括Track-Hold被动机器人设备，具有相同的五种VR训练应用程序的监视器以及高分辨率EEG记录。在这种情况下，除了常规治疗外，还引入了康复训练系统，每周进行三次，共四周。在第一个和最后一个康复课程中，进行了高分辨率的脑电图记录，并进行了临床测试以评估患者上肢损伤的严重程度。
成像结果显示，在训练应用后，α和β频段有明显的事件相关去同步化模式，这是参与运动计划的皮层激活的证据。在试验开始时，对侧大脑半球的ERD模式的转变在所有的应用中也是明显的。同样，在患侧半球，也记录到了感觉运动网络内的激活水平明显的降低。影像学数据证实了患者在运动功能和运动学参数的临床测试中表现的改善，他们显示受损肢体的手臂功能(Motricity Index score)几乎完全恢复，执行ADLS (Barthel Index score)的能力也恢复了。拟议的康复系统已在一名中风患者身上进行了测试，但作者表示，一项更好的研究正在进行中，在这项研究中，实验设置将包括与只接受常规治疗的对照组进行比较。
其他大多数的研究是在MRI上进行的，通过前后神经成像测量来检查VR神经功能的变化和认知训练。
Jang等(2005)还设计了一个实验，在该实验中，VR康复系统旨在引发皮质重组，他们使用干预前和干预后fMRI扫描来测量变化。Jang等。招募了五名右利手参与者（3名女性， 2名男性，平均年龄59.8±3.4岁），患有中风后偏瘫，进行VR培训计划，该计划包括各种运动任务，要求使用瘫痪的肢体。这项训练由三种不同的VR训练或游戏组成，每一种都是为了锻炼例如抓握，伸手或抬起等运动技能。每项运动必须进行五次，每天共60分钟;这些训练每周进行五次，持续四周。对照组也由五名中风患者组成，未接受任何干预。
在进行干预之前，所有患者在移动患肢时，对侧运动前皮层（PMC），对侧或同侧辅助运动区（SMA）和双侧主要感觉运动皮层（SM1）的激活均增强。干预后影像显示，实验组的所有五名参与者均表现出同侧SM1激活的明显增加，而在VR培训之前，则是相反地组织激活。四名参与者在使用其患肢时也显示出异常SM1激活的减少或消失。此外，患肢运动过程中的偏侧化指数从.08增加到.90（P <.05）(如图5)。因此，VR训练在大多数患者中实现了皮层重组，根据偏侧化指数从对侧激活转变为同侧激活。参加过VR培训的参与者还报告说，在进行干预之后，他们能够自发执行运动功能，例如拿起杯子或系扣衬衫，这是他们在VR培训之前无法执行的。
图5：VR训练前后双侧主要感觉运动皮层（SM1）的激活慢性中风患者 
(A)脑磁共振t2加权图像，箭头指示病灶位置。
(B) VR训练前初级感觉运动皮质(SM1)双侧激活
(C)患者1、2、4、5接受VR训练后SM1双侧/对侧活动消失，患者3在移动患肢时激活减少(箭头指示激活部位)。
Schuster-Amft(2015)进行了一项基于镜像神经元系统的可行性研究。该研究招募了两名慢性期中风患者作为参与者，并将基于VR的疗法与传统疗法结合起来用于上肢康复，这项研究为基于VR的康复疗法的益处以及与传统方法之间的对比提供了更清晰的认识。该研究使用A-B-A设计，基线期为两周，治疗四周（每周五次），为期三个月的随访。患者1（P1）是缺血性卒中后四年的63岁右利手男性，患者2（P2）是脑出血后三年的47岁右利手男性。
在基线和随访期间，P1每周去一次或两次去诊所的康复训练室，并参加每周的理疗课程，重点是平衡，步态和步行。对于P2，在基线或随访期间均未提供任何形式的治疗。治疗阶段包括为期四周的有监督的VR训练，每周5次，每次45分钟。在训练中，患者坐在一张桌子前，屏幕上以第一人称的视角显示虚拟手。参与者带上数据手套，分别以三种方式控制虚拟手：1）物理手控制相应的虚拟左右手；2）其中一只物理手控制着两个虚拟手（在模仿肢体上具有镜像效果，即使静止时，相应的虚拟手也在移动）；3）与条件2相同，没有镜像效果。
患者必须用手进行三种不同的VR训练任务：
1）玩具捕捉任务：用两只虚拟的手去抓取运动中的各种物体。
2）“抓胡萝卜”任务要求患者抓住从地下生长的胡萝卜，并将其放在屏幕两侧的一个篮子中。还有一只兔子来偷胡萝卜，病人需要用另一只手防御它。
3）“番茄杂耍”:要求参与者使用两个圆形垫子，手臂放在仰卧位置，一次摆弄一个坠落的物体，把它们放在右边的篮子里(西红柿放在右边，鸡蛋放在左边)。
在基线期，干预结束后两周和三个月的随访中进行了功能磁共振成像扫描。对于P1，使用轻瘫肢体的重复力脉冲，结果显示，在基线时，双侧SM1、SMA和背侧前运动皮层有初始皮层激活。随着治疗的进行，接下来的两次fMRI测量显示，这三个区域的自身激活显著减少，而对侧M1的神经反应在所有3次扫描中都出现了微弱但持续的反应。对于P2，从双侧激活SM1、SMA和背侧前运动皮质转变为激活以右侧为主的SM1，右侧SMA的神经反应增强。作者认为，这揭示了同侧半球感觉运动网络的重组。两例患者的治疗前、治疗中、治疗后fMRI成像如图6所示。值得注意的是，这两名患者在传统的上肢活动指标(Chedoke Arm and Hand ActivityInventory (CAHAI))上均有显著改善，并在随访时保持这一效应（如图6）。
图6：在VR上肢运动训练之前，期间和之后通过fMRI测量的两名中风患者的大脑活动
三种应用程序在虚拟环境中训练两名有上肢损伤的中风患者(P1和P2)的双手伸展、抓握、张手。在训练前、训练后即刻和3个月随访时进行的功能MRI扫描显示：P1)初级感觉运动皮质(SM1)、辅助运动区(SMA)和背侧前运动皮质(DPM)最初存在强烈的激活，且随三次测量结果的变化而降低；P2)初始测量时相同三个区域的双侧激活随着辅助运动区反应的增加而转移到以右侧为主的初级感觉运动皮层激活。这表明患侧半球感觉运动网络的正在发生重组。
Caglio等(2012)对一位24岁的脑损伤男性患者进行了一项研究，利用神经成像技术对其进行VR康复治疗。在两个标准的康复方案后，患者在神经心理测试中没有表现出改善，这表明一般康复训练效果不太可能影响训练后的改善。研究人员在事件发生一年后开始使用VR技术，因此不太可能自动恢复。康复训练在一个虚拟的城镇(伦敦)进行，要求病人探险并砍伐沿途的树木和杆子(明确的任务)。内隐任务是空间记忆，因为在探索城镇时，患者必须避免重复走相同的道路。培训持续90分钟，一周三次，持续五周，每20分钟休息七分钟。
研究人员通过测量神经生理学变化评估治疗的有效性，并使用功能磁共振成像来测量大脑激活的改变。它还被用来评估记忆任务中使用配对联想学习作为助记内容时海马和海马旁的激活。在扫描过程中，给病人7对单词，然后要求他们在扫描之后回忆这些单词。该患者接受了3次fMRI检查，一次训练前，一次训练后以及。两个月的训练中。在每次训练之前和之后，两个月之后和一年之后，还进行了一系列的神经心理学评估。
训练后的神经影像学结果显示，颞上回和颞中回，小脑和海马以及左前扣带中的双侧激活增加。左海马体和右海马旁回皮层的新陈代谢明显增加（参与记忆过程）。此外，左侧腹侧被盖区(VTA)的活动更为广泛，它与中脑边缘网络的奖励系统部分、左侧海马、左侧额叶内侧回、双侧额叶内侧回、右侧海马回、右侧楔叶和楔前叶有关。作者推测虚拟训练还激活了VTA-海马环路，负责将信息输入到长期记忆中。同时，神经心理学测试表明，参与者在空间记忆学习方面已明显改善。随访的神经影像学数据显示，总的来说，疗效保持不变。
总而言之，这些研究得出的结论是：可以用神经影像学的前后检测结果验证VR治疗的效果。VR治疗作为认知功能障碍治疗的基本概念是通过使用户参与多感觉训练来改善大脑的神经可塑性。研究人类经验依赖性可塑性的一种实用方法是通过前后神经成像测量来研究在接受训练后大脑结构或功能的纵向变化。
表1：在参与者完成VR任务或训练计划时，通过在体内的神经成像调查发现的神经功能变化的总结
缩写：N:参加人数.gp:组.M:平均年龄.SD:标准差.PD:帕金森病.SMA:辅助运动区.IFG:额下回.IPL::顶下小叶
3.结论与展望
VR在神经心理学中的应用在过去十年中已经发展成为临床医生评估和患者康复的有价值的工具。要利用这一点，设计一个能够可靠地反映现实情况的VE（虚拟现实环境），使患者感到舒适地探索自己的弱点和训练自己的长处的VE是创建成功的治疗网络的关键。VEs还有一个明显的优势，即既适合身体受损的病人，例如不能行走的病人，也适合完全患有认知缺陷的病人。
下一步的技术步骤是引入同步神经成像技术，这对于VR中较年轻的神经康复领域可能具有附加价值。这使临床医生可以识别并确定每个患者的空间和时间脑部激活模式，从而针对个体患者定制训练课程。这是需要考虑的关键方面，因为必须注意，当对沉浸在VE中的患者进行神经成像时，从实验设置的角度来看，它可能没有通常使用的其他经典设计严格。然而，我们的综述显示，即使在多感觉的环境下需要几种认知功能，临床医生仍有可能正确识别治疗进展的生物标记。更有希望的是，他们还能够发现不同大脑区域或不同功能之间的联系，共同努力让参与者执行特定的动作。例如，在fMRI观察下执行单个任务的患者无法检测到这种情况。因此，虚拟现实的使用可能会提高神经心理评估的生态有效性和康复项目在现实生活中的具体收益，而随着进一步探索网络治疗和神经成像的结合，成功率也会提高。
虚拟现实技术在神经康复中的实际应用已经得到了很好的证实，但是显然，在临床环境中，仍然有很多东西需要从这种新工具的存在中学习。其中一个核心问题是VR治疗应用的个性化：虚拟现实治疗的时空设置越适合个体参与者的行为能力和潜在大脑神经元活动的能力，虚拟现实就越有可能发挥治疗效果。将VR治疗与脑成像(脑电图、fMRI、fNIRS)相结合，将使这种基于神经的个性化VR治疗成为可能。此外，最近有人提出，时间和空间的动力学提供了连接神经元和心理特征的桥梁。将VR疗法与大脑成像相结合，可能有助于更好地理解大脑的自发活动是如何构建其空间和时间关系的(图7)。
图7.时间动态作为连接虚拟现实、大脑和自我的桥梁
一个应用于实际应用和治疗的具体例子就是自我意识。神经科学方面的最新研究表明，静止状态的神经元活动与我们的自我意识密切相关。具体地说，在fMRI和EEG中，静息状态的时间动态，即用幂律指数(PLE)和自相关窗(ACW)测量的功率谱中的无标度特性，都与自我意识有关：PLE越大，ACW越长，在较低的频率和较长的周期持续时间内，表现出更强的功率，自我意识的程度越高。这表明静息状态的时间动态是调节我们自我感觉的中心。自我意识的改变可能与静息状态动态改变有关，因为最近在精神分裂症的一项研究中确实显示出自我任务期间PLE和ACW的异常。虚拟现实也有一系列的变化；人们现在可以以无标度的方式设计该时间序列，并且功率谱密度略高于或低于个体受试者大脑中的功率谱密度，让受试者暴露在这样的虚拟现实中，最终应该会使其大脑的PLE和ACW朝着虚拟现实触发的方向改变。因此，可以利用虚拟现实的时间特征(以及空间特征)来操纵大脑中相应的时间(和空间)特征。因此，时空动态将提供虚拟现实、大脑和自我的联系的桥梁。 在精神病学的背景下，需要应用VR假说来说明VR相关措施、神经元脑活动和精神病理症状之间的具体关系，因为它们可以指导VR在诊断和治疗中的发展。如上所述，一种潜在的富有成效的方法可能是最近发展起来的《时空精神病理学》(Spatiotemporal Psychopathology)，它假设大脑的时空变化动态地反映了心理层面上相应的时空变化，从而扭曲了感知和认知功能。由于VR操纵时空动力学特征，因此它可以作为在神经元和心理水平上纠正和“规范”时空变化的理想工具。
文献回顾表明，认知和运动康复在卒中后患者中得到了广泛的探索，但在那些遭受衰弱脑外伤的患者中却没有那么多。考虑到颅脑损伤，特别是轻度颅脑损伤或脑震荡在当代社会已经成为一个突出的问题，开发新的方法来识别和治疗由这种类型的创伤引起的任何困难是当务之急。因此，在颅脑损伤的情况下，更深入地探索VR训练与神经成像相结合，应该是该领域进一步研究的目标之一。
尽管越来越多的人热衷于将虚拟现实与脑像相结合，并且有证据表明它在临床上的应用，但目前的文献综述强调了几个局限性：
1. 需要进行更大规模的临床研究，以确定不同临床人群VR神经康复治疗成功的神经生物标记物。许多现有的文献报道了小样本量的混合结果(有时甚至是单个病例研究)，并且往往缺乏适当的对照比较或对照条件来区分VR训练诱导的神经功能自发重组和神经功能重组。
2. 关于VR神经康复背景下治疗成功的预测神经生物标志物与最佳转移到现实世界功能改善之间的关系的信息很少。这些预测因素及其对结果的影响尚不清楚。
3. 尽管使用神经成像技术有可能识别治疗成功的预测性神经生物标记物，但这两项技术的结合还处于早期开发阶段。VR康复需要进一步的发展，才能在神经生物标志物的指导下，完全融入常规康复。例如，可以进行多方位，评估者盲法随机对照试验，以验证VR神经康复治疗成功的预测性神经生物标志物。
表2：VR训练后神经功能改变及相关生物标志物。在完成VR训练计划时，对比参与者进行训练前后神经成像确定的各种神经功能变化和认知改善的总结
缩写：Exp.gp:实验组.SM1:主要感觉运动皮层.TBI:创伤性脑损伤.VTA:腹侧被盖区.ERD:与事件相关去同步化.dPMC:背侧运动前皮层
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