近日，Cell Reports 报道了来自北京大学的一项新奇研究：人类在虚拟现实（VR）世界里带翅飞行，大脑会怎么处理虚拟出的身体部位？这项研究最终有些出乎意料地表明，大脑不仅适应了新的工具、新的动作，甚至可能在短时间内，为一种人类从未拥有过的肢体建立起表征。研究者继而追问：当技术开始为人类创造新的身体经验时，它是否会改变我们理解世界的方式？
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对于北京大学心理与认知科学学院的毕彦超教授而言，这个问题的答案很明确，那便是飞翔。她曾不止一次想象过飞翔的感觉，幻想自己像漫威电影《X战警》（X-Men）中的超级英雄“天使”一样，从背后生出一对巨大的翅膀，像鸟一样飞向天空。
2023年春天，毕彦超与同事魏坤琳教授聊天时，听说魏坤琳的实验室里有一套虚拟现实（VR）装置，便半开玩笑地说起了自己的飞翔之梦。有着“叨叨魏”（Dr.魏）之称的“网红”科学家魏坤琳一直对VR如何影响人脑感兴趣，他的课题组一直在用VR设备研究人的运动感知，在VR任务设计方面有着丰富的经验，而毕彦超团队则更擅长解读大脑如何处理各类信息，于是二人一拍即合。
对毕彦超而言，拥有翅膀、学会飞行不仅会改变人们看待整个世界的方式，还意味着突破了人类在演化上的限制。人类从未拥有过翅膀，漫长的演化只给了我们双手、双脚和直立行走的身体。对魏坤琳来说，VR恰恰是一种探索演化之外可能性的方式。他说：“人类发明了工具，让工具成为身体的延伸，可工具并不属于我们的身体。我们在演化过程中从未拥有过虚拟的身体，那么大脑会如何表征它呢？”
研究团队使用VR设备探究人类大脑如何适应从未在演化过程中经历过的体验｜受访者供图（制图：陈珍）
借由VR装置，我们可以在虚拟世界中拥有一具新的身体，甚至拥有一双虚拟翅膀，能够在天空中肆意翱翔。在一篇近日发表于《细胞·报告》[1]的论文中，毕彦超团队和魏坤琳团队合作，让25名受试者获得了这种体验。他们想知道，当受试者短暂地“长出”一双虚拟翅膀后，其大脑会发生怎样的变化。
发表的论文截图 | 图源：Cell Press
训练一双不存在的翅膀
为了让普通人体验这对虚拟翅膀，研究团队在北大树洞上招募了一批在校学生作为受试者。受试者们需要参加一场为期一周的VR飞行训练，一共四次，每次大约半小时。
每次训练开始前，受试者都会戴上VR头显，沉浸式地进入一个专为“鸟人”准备的虚拟世界。与此同时，研究人员会在他们的手臂和手腕等位置绑上动作捕捉装置。房间里的摄像头则会追踪这些装置的位置和运动，并将受试者在现实中的动作实时映射到虚拟世界中。
一位受试者在做“飞行训练” | 受访者供图
受试者首先会来到一间虚拟的游戏大厅，站在一面虚拟的镜子前，第一次看见自己全新的身体——一个长着巨大棕红色翅膀的“鸟人”。只要他们挥动手臂，镜子里的翅膀便会跟着扇动；而当他们转一转手腕，其翅膀的羽翼也会随之轻轻摆动。他们还需要完成一些与飞行无关的小任务，譬如让翅膀摆出指定姿势，或是用翅膀扇出气流，吹开从空中飞来的小球。
等到他们逐渐熟悉这双翅膀后，真正的飞行训练便开始了。在虚拟世界中，受试者来到一片开阔的崖壁，在一些任务中，他们需要尽量飞得更高；而在另一些任务中，他们则要努力维持高度；还有些任务则要求他们像游戏《飞扬的小鸟》（Flappy Bird）中的主角一样精准地控制飞行高度，从一个个悬浮在空中的圆环中穿过去。
在完成这些飞行任务时，受试者的注意力几乎全都被眼前的天空和飞行目标所吸引。因此他们很难一边飞行一边回头观察自己的翅膀究竟摆出了什么姿态，只能凭借自己对这对翅膀的感觉，细微地调整手臂和手腕的动作，再从身体上升或下降的结果中，慢慢摸索出控制飞行的方法。
或许在你的想象中，只要用力扑腾“翅膀”，就能让自己越飞越高。但其实，真正的飞行并非如此。
为了让受试者获得尽可能真实的飞行体验，论文的共同第一作者、毕彦超团队的博士后蔡依洋曾经仔细研究了鸟类的翅膀结构。鸟的翅膀和人的手臂一样，也可以大致分为三段。但和人类手臂不同的是，鸟翼末端，也就是相当于人类手腕到指尖的部分，占据了格外大的羽翼面积。
蔡依洋在魏坤琳课题组读博时，曾利用VR设备研究人类的主动控制感，即当我们主动发起某个动作时，如何才能意识到自己是动作的主人。基于这些研究经验，她既将鸟类翅膀的结构特点融入了VR飞行训练的设计中，同时又通过一个个任务设计，让受试者将虚拟翅膀的结构、动作与自己的主动控制逐步联系起来。
此外，蔡依洋还在VR系统中模拟了鸟类飞行涉及的空气动力学原理，她将鸟类的飞行方式比作了“空中的蛙泳”。论文的另一位共同第一作者、毕彦超团队的博士研究生熊子羿则解释道：“当你将翅膀向上抬起时，空气动力学反而会让你往下掉。因此，你需要进行一系列调整，控制翅膀与空气的接触面积，以及翅膀扇动的速度。”
可知道原理和真正会飞是两码事。即便是作为训练任务设计者的蔡依洋，当她亲自戴上VR设备、进入虚拟世界试飞时，也仍然感觉很吃力。她说：“我一开始怎么都飞不好，直到后来才慢慢轻松起来。”蔡依洋曾一遍遍亲自试飞，逐项调整飞行中的物理参数和任务目标，才终于将训练的难度调节到了适中的程度。
但真正学会飞行从来都不是一件容易的事。即便飞行难度已经调整到了适中的程度，即便蔡依洋和熊子羿会在训练开始前向受试者简单介绍鸟类飞行的基本原理，甚至在某些受试者迟迟找不到飞行窍门时适当给出提示，但在第一次训练结束时，几乎每个受试者都会满头大汗。
也曾有受试者对熊子羿抱怨称，任务实在是太难了。每当这时，熊子羿便会安慰他们：“没关系，等你下次来的时候就不一样了。”
而事实也的确如此。随着训练逐步推进，受试者的进步清晰可见。到了第三次或第四次训练时，绝大多数受试者都学会了用虚拟翅膀飞行，他们能够稳定地控制高度，也能更准确地穿过空中的圆环。训练后的问卷调查结果也显示，受试者普遍觉得，自己对翅膀的主观控制感正不断增强，这让蔡依洋有些惊讶。
熊子羿表示，一旦受试者真正理解了用翅膀飞行的机制，他们的表现就会明显改善。不过他也承认，有一两位受试者仿佛是“天生圣体”，从一开始就飞得很好。
当大脑把翅膀当作肢体
经过为期一周的训练，受试者在虚拟世界里学会了一套飞行的方法。他们知道怎样挥动翅膀，怎样让身体在空中保持稳定。但对于这项研究而言，真正核心的科学问题并非仅仅是让人学会用翅膀飞翔。
研究团队更关心的是，在这段亲身体验之后，受试者是否会以一种新的方式理解翅膀。过去，翅膀对他们而言只是动物身上的结构。但现在，翅膀不再只是一个被观看的对象。受试者只有亲身经历这一切，才会意识到他们是在使用自己的身体来操控翅膀。而这种新的经验可能会在大脑中留下痕迹，改变大脑对翅膀的加工方式。
为了寻找这些变化，研究人员让受试者在为期一周的训练开始前和结束后各接受了一次大脑的核磁共振成像扫描。他们让受试者在接受核磁共振成像的同时观看一系列图片，观察受试者大脑对图片中物体的响应。这些图片既包括不同类型的鸟类翅膀，也包括尾巴等其他非人体部位，以及人类身体的不同部位，譬如上肢、下肢和面部，还包括斧子、椅子等人造物。
实验流程丨图源：熊子羿
研究结果显示，经过一周的飞行训练后，受试者大脑的视觉皮层的确实发生了明显变化。训练结束后，当受试者再次看到翅膀图片时，他们的视觉皮层变得比训练前更加活跃。更有意思的是，他们大脑加工翅膀图片的方式也发生了变化：视觉皮层中的神经活动模式开始变得更像他们看到上肢图片时的活动模式。
毕彦超解释道：“人的视觉皮层对身体部位格外敏感。当我们看到手、脚、脸等身体部位时，大脑通常会产生较强的反应。视觉皮层中甚至有一些区域，会专门对四肢等身体部位的图片作出反应。”而他们的研究结果表明，经过虚拟飞行训练后，翅膀在视觉皮层中的神经表征开始表现出更高的“上肢相似性”。
而且，这种变化并非以改写原本手臂的表征为代价。研究团队并未发现大脑视觉皮层对上肢图片的表征发生显著改变。也就是说，虚拟翅膀并没有挤占手臂原有的神经响应模式，只不过经过为期一周的训练，大脑对翅膀这一事物的理解更接近人类肢体了。
而这也让虚拟翅膀和假肢形成了鲜明对比。过去的研究显示，在假肢使用者的视觉皮层中，假肢的表征往往变得更不像上肢。毕彦超认为，这是因为人们使用假肢时，通常清楚地知道，假肢是在替代原本缺失的肢体，本质上仍是一种外部工具。
可虚拟翅膀并非如此。熊子羿表示，之所以出现这种差别，关键在于当受试者处于虚拟世界中时，由于无法看见自己真实的肢体，因此自然而然地将翅膀的形象、高度的变化这些视觉体验与自己的肢体运动之间建立了稳定的联系，即认为是自己控制着翅膀，才带来了一系列视觉变化。
换句话说，要让人脑对翅膀的理解发生变化，重点并非让受试者拥有翅膀，也并非让受试者体验飞行，而是要让受试者将肢体的运动解读成自己是在用翅膀来飞行。譬如，在完成飞行任务时，受试者并未在视野中看见翅膀本身，但他们仍然会将自己胳膊的运动解读为翅膀的挥动。而如果让受试者在风洞中体验用胳膊或机械翅膀飞行，则很可能达不到这样的效果。
已有大量研究表明，我们的大脑具有可塑性，但这项研究将这个问题推向了更远的地方。这项研究表明，大脑不仅能适应新的工具、新的动作，甚至可能在短时间内，为一种人类从未拥有过的肢体建立起表征。
在过去很长一段时间内，人们都认为，生物体受到演化的约束，因此大脑的可塑性也是如此。但这项研究给出了一个不同的视角。毕彦超认为，随着技术的发展，人类或许可以创造出一些过去从未有过的身体经验，让大脑去适应那些原本不属于人类演化历史的东西。大脑可以通过一系列抽象的机制，来重新理解一具陌生的身体如何运作。“我们的研究让人们对大脑可塑性边界的理解发生了质的变化。”她说道。
不过，这并不意味着大脑的可塑性是无限的。恰恰相反，这项研究提出了更多新的问题：大脑究竟能在多大程度上接纳一种从未有过的身体形式？这种接纳需要满足哪些条件？如果受试者不是用胳膊来控制翅膀，而是用面部表情来控制，那么结果还会一样吗？还是说，当学习过程让受试者感到明显不自然，甚至违背了他们对身体和运动的基本直觉，大脑就会把它挡在身体之外？对于这些问题，研究团队并没有答案。
人类大脑适应虚拟翅膀概念图 | 受访者供图（陈珍制图）
毕彦超也坦言，这项研究仍有不少局限。她说，在最理想的情况下，她希望能在每次训练结束后都对受试者进行一次核磁共振扫描。这样，他们就能看到大脑在整个学习过程中是怎样一步步变化的。但受限于种种现实因素，他们只能在受试者训练前后各扫描一次，因此只能看到受试者大脑训练前后的变化。
蔡依洋的遗憾则更多关乎飞行体验本身。作为虚拟飞行训练的设计者，她觉得现在的飞行体验还不够逼真。她希望受试者能在飞行过程中体验到更多突发的环境变化，她也希望飞行任务可以更加丰富，不再只是让受试者控制飞行高度或穿过圆环，还能让他们体验控制飞行的角度。
虚拟身体时代
我们将如何理解自己？
这项研究也指向了一个更大的问题：当技术开始为人类创造新的身体经验时，它是否会改变我们理解世界的方式？
过去，人类想要认识和理解翅膀，大多只能通过观察、想象和语言描述，始终缺乏身体经验，而VR技术的出现恰恰弥补了这种缺陷。随着技术不断发展，我们可以拥有现实中不存在的身体，可以进入现实中无法抵达的环境，也可以用从未属于人类的感官和肢体与世界互动。而这些新的体验，也会改变我们对世界的理解。
魏坤琳用大语言模型打了个比方。他指着一旁的桌子说道：“大语言模型的所有经验都来自文字，因此，尽管它能从文本中知道桌子是什么，但它无法像人类一样深刻地理解一张桌子。我们知道桌子可以推拉，可以倚靠，可以趴在上面写字……我们对桌子的种种理解，很大程度上来自我们的身体与桌子之间发生过的种种互动。翅膀也是如此。只有当受试者真正用自己的肢体控制过翅膀在虚拟世界中飞行，他们才能更深刻地理解‘翅膀’。”
未来，当虚拟现实、增强现实、脑机接口和各种可穿戴设备继续发展，人类或许会越来越频繁地进入新的身体形态。我们可能会在虚拟世界中拥有额外的肢体、更灵活的视角、更陌生的感官。
受试者完成为期一周的虚拟飞行训练后，当他们摘下VR头显时，尽管那双虚拟的翅膀已经消失，但技术在他们大脑中留下的痕迹却真实存在。“未来，我们可能会花很多时间在虚拟现实里待着。这些技术会对人脑产生什么影响？我们真的很感兴趣。”魏坤琳感叹道。
参考文献
[1] https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00398-0
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