北京大学心理与认知科学学院毕彦超、魏坤琳课题组揭示虚拟飞行体验改变人脑对翅膀类客体的神经表征

在数以百万年计的进化历程中，人脑形成了专门处理身体部位形态的神经区域，主要位于外侧枕颞皮层（occipitotemporal cortex，OTC）。随着虚拟现实（VR）等现代技术的兴起，人类能够体验进化历史上从未出现过的身体形态，比如拥有虚拟、非人类的肢体。大脑以何种可塑性机制处理这种与进化经验相异的虚拟身体部位？

近日，北京大学心理与认知科学学院毕彦超教授与魏坤琳教授团队合作，在《细胞·报告》（Cell Reports）在线发表题为“Virtual flying experience changes neural responses to seeing wings”的研究论文。该研究结合VR技术与功能磁共振成像（fMRI），发现人脑能够通过其可塑性，将虚拟翅膀这一非人类固有的肢体纳入身体部位表征体系。

研究团队设计了一套特别的虚拟现实训练：受试者通过挥动上肢来控制虚拟翅膀的扇动，完成复杂的飞行任务，获得用翅膀飞行的体验。本实验的核心操纵是，在整个实验过程中，受试者绝大多数时间内并不能直接看到虚拟翅膀，而是将自身上肢的动作与飞行场景高度的变化建立起功能性的关联，使受试者形成使用翅膀飞行的体验（如图1所示）。

图1 研究设计

即便缺乏对翅膀直接的感知运动经验，仅凭上述功能关联，就足以改变人脑观看翅膀形态时的视觉加工。通过对比VR训练前后的fMRI数据，发现受试者的大脑OTC区域发生了一系列活动改变：激活增强——在观看翅膀图像时，双侧OTC区域表现出更强的特异性激活，即大脑对翅膀这一视觉客体类别的敏感度显著提高；表征模式变化——多变量模式分析（MVPA）显示，观看图像时，在右侧OTC区域，翅膀这一客体的神经表征模式变得与人类上肢更为相似，这一相似性的提升显著高于翅膀与其余客体类别之间的相似性变化，即大脑在VR飞行训练后开始将翅膀处理为一种“类肢体”客体类别；功能连接加强——功能连接（心理生理交互）分析（psychophysiological interaction，PPI）发现，当受试者观看翅膀图片时，其右侧OTC与躯体感觉及运动相关的额顶网络之间的耦合展示出特异性的增强，表明翅膀的视觉表征与体感和运动系统产生了与加工翅膀相关的关联。主要研究结论如图2所示。

图2 主要研究结论

该研究表明，人类大脑的OTC区域默认状态下表征进化中形成的身体部位，但具有将非人类肢体动态且功能性整合入身体表征的可塑性。这一过程无需依赖长期的进化积累，也不依赖单纯的感知运动输入，体现了人类认知系统的灵活性。这一发现深化了我们对人脑概念表征体系形成机制的理解，为未来具身智能的设计以及人类通过人体增强装置、脑机接口等手段实现身体功能扩展提供了来自认知神经科学的启示。

毕彦超团队博士生熊子羿和博士后蔡依洋为本文共同第一作者。魏坤琳和毕彦超为本文共同通讯作者。北京大学心理与认知科学学院王晓莎老师也对文章有重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金、科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目等的支持。