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1、心理科学进展 2010,Vol.18,No.3,511521 Advances in Psychological Science 511 虚拟现实技术应用于神经心理评估的研究概述 郑 霞1,3 SAUZEON Hlne3 周明全1,2 NKAOUA Bernard 3(1 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,北京 100875)(2 北京师范大学信息科学与技术学院,北京 100875)(3 Laboratory of Cognition and Human Factors(EA-487),Institute of cognitive science,University of Bor
2、deaux II-Victor Segalen,Bordeaux,33076,France)摘 要 传统神经心理评估的实验控制和生态效度的平衡问题日益受到研究人员的关注,而新兴的虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术为问题的改善带来了希望,它不仅可以模拟现实环境并支持被试的直接交互,而且能对传统测试进行再现和扩展。它所形成的评估系统能对刺激的内容和表象、任务的复杂度和被试的响应进行灵活控制,所获取的信息更丰富、准确。在初步评估注意过程(注意、单侧空间忽略)、记忆(前瞻记忆、情景记忆、空间记忆、地形定向)和执行功能方面已获得了令人满意的效果。然而目前VR评估的应用仍存在技术和设备方
3、面的不足,以及对评估者和被试不同操作要求的局限,因此今后除了要规范化现有VR评估系统,还应该进一步发展基础条件来推动系统的广泛应用。关键词 虚拟现实;神经心理评估;注意过程;记忆;执行功能 分类号 B841 1 引言 神经心理评估是对基于神经学的认知损害进行科学分析和治疗的重要前提和基础。传统评估方法在相关理论模型的基础上,采用一系列测试(通常为纸笔形式)对不同的认知功能进行测量,如利用脚本事件任务(script event tasks)评估阿尔茨海默病(Alzheimers Disease,AD)患者的认知障碍(Grafman,1995)。而对于较复杂认知功能的评估常来源于对简单认知功能测量
4、结果的综合预测。总体上以纸笔测试为代表的传统方法在特征性、生态有效性方面表现较弱,其结果往往受观察者和测试环境的影响,缺乏有效性和可靠性。为了提高生态效度,研究者有时通过在现实生活或物理实物模型(厨房、办公室等)中直接观察被试的执行而实现评定。然而此类测试所面临的主要问题在于:(1)难于对刺激的内容和表象进行灵活控制;(2)难以准确获取被试的执行细节;(3)现实生活中的直接观察难以在具有危险和压力的环境下进行;(4)构建大型复杂物理模型不仅成本 收稿日期:2009-06-26*法国阿基坦大区基金项目(“虚拟现实和认知康复”:2004-2009)资助。通讯作者:周明全,E-mail: 高而且仿制
5、范围也很有限。近年来迅速发展的虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术为模拟现实场景提供了可能,能在再现和扩展传统方法的同时改善评估的有效性和可靠 性,满 足 评 估 者 多 样 化 的 需 求(Rizzo,Schultheis,Kerns&Mateer,2004a)。基于VR技术的神经心理评估(以下简称VR评估)方法生态效度高,所提供的视觉、听觉、触觉等多通道反馈能支持被试的日常交互,它所带来的沉浸感可以使被试忘记正在接受测试任务而产生更多的自发行为。而评估系统一旦被设定好相关参数就可以无限次实施相同测试,不受观察者、测试环境的影响。同时,系统不仅可以对刺激的内容和表象、任务复杂
6、度以及被试的行为响应进行灵活控制,而且能在获取被试响应参数(准确度、速度)的同时,记录其潜伏期、解决策略和视野偏好等信息,被试的离散行为响应得到了更好的量化。此外,VR技术能够模拟现实生活中对患者不可接近、有危险、有压力的环境,在这些模拟环境中患者有安全感,知道不会因为行为不当而受到伤害、讥笑或者是惩罚,因此他们可能会突破“不能”的限制,出现如穿过马路等背离行为,这是在传统评估中观测不到的。由于VR评估与传统方法相比具有以上无可比拟的优势,已被逐渐应用-512-心理科学进展 2010年 于评估注意、记忆、执行功能等不同认知领域,其结果对辅助临床诊断、康复策略的制定具有重要参考意义。以下将概述V
7、R评估近年来在注意过程(注意、单侧空间忽略)、记忆(前瞻记忆、情景记忆、空间记忆、地形定向)和执行功能方面的应用进展,以期为今后同类研究的开展起到借鉴 作用。2 注意过程(attention process)注意过程是个体实现高层次认知功能的必备条件,能使个体在执行不同任务时划分其认知能力,并保持对所选择任务的加工和处理。注意过程 障 碍 常 见 于 注 意 力 缺 失/过 动 症(Attention Deficit Hyperactivity Disorder,ADHD)、脑外伤、不同形式的老年痴呆(如血管性痴呆:Vascular Dementia,VD;阿尔茨海默病)和由于神经病理学引发的
8、额叶机能障碍。其临床表现为注意涣散、注意增强、注意迟钝、注意狭窄等。对于注意障碍的传统评估包括:纸笔测试、对不同信号刺激的反应时测试、行为评定技术(behavioral rating techniques)等。虽然这些方法得到了广泛应用,但由于他们无法再现个体的生活场景,因此其预测性的结果不能真实反应现实状况(Parsons,&Rizzo,2008)。而VR评估方法以虚拟生活场景为背景,不仅增强了被试体验的真实性,而且所产生的实验控制灵活、准确,其评测结果更接近于现实。2.1 注意(attention)ADHD儿童的注意缺陷是研究者长期关注的问题。以南加州大学创意科技研究所(Institute
9、 for Creative Technologies,University of Southern California)开展的工作为代表,Rizzo等人(2004b;2006)以虚拟教室为场景对ADHD儿童的注意情况进行了评估。场景中的基本设施包括排列有序的桌椅、教师的讲桌和黑板,人物涉及几名小学生和一名教师。通过教室窗户可以看到操场和车来车往的街道。该场景中一般要求携带头盔显示器(Head-Mounted Display,HMD)的学生被试坐在一张虚拟课桌前,执行与年龄相关的特定任务。室内噪音、学生的运动、窗外场景的活动等成为干扰成分。根据评估任务的需要,测试者可以随时改变学生位置、学生人
10、数、教师性别等参数。系统通过记录被试执行时的反应时以及出错数来测量他们的注意情况。系统可被用于评估以下注意成分:(1)选择注意(selective attention):如根据教师的颜色要求,被试通过按压虚拟课桌上的彩 色 板 而 做 出 响 应;(2)持 续 注 意(sustained attention):如在时间上对被试的刺激响应做出要求;(3)分配注意(divided attention):如当教师通过动物示现颜色(如:灰色的狗)或仅将“狗”字写在黑板上时,被试按压彩色板。在一个具体评估案例中,研究比较年龄在612岁间的8名ADHD患儿与10名正常儿童的执行情况。在连续辨别任务中:要求
11、被试在虚拟黑板上看到字母X紧跟字母A呈现时,用优势手又快又准的按下无线鼠标,而对非目标刺激不做反应。被试分别接受以下条件的测试:无干扰条件,有听觉或(和)视觉干扰条件。测试结果表明在干扰条件下患儿出现更多遗漏错误(p 0.01),同时其头部和四肢的运动更频繁。而与正常儿童相比,患儿的总体正确反应时更长(无干扰条件:p 0.05;干扰条件:p 0.03)并产生更多的遗漏错误和执行错误。此研究充分体现出虚拟教室作为一个成本收益高、可升级的工具来评估儿童注意力比传统方法具有明显优势。随后Parsons等人(2007)则特别开展了与传统评估方法的比较研究,涉及SWAN行为列表、Conners持续性操作
12、测验第二版(Conners CPT II)、Stroop测试等7项。结果表明他们与虚拟教室评估均有不同程度的相关,其中Conners CPT II中涉及的错误与虚拟教室评估中的执行错误有最小相关度(r=0.39)。此研究充分例证了虚拟教室评估方法的有效性和可靠性。而对于成年人的注意力评估,采用的虚拟场景则更多样。Lengenfelder等人(2002)以虚拟公路为背景研究分配注意对驾驶任务的影响。通过21寸显示器呈现公路场景,3名脑损伤患者(平均年龄38 3.46岁)和3名健康被试(平均年龄38 3.61岁)借助方向盘和刹车、油门踏板执行两个任务。第一个任务要求被试完成简单驾驶;第二个任务则要
13、求被试在行驶中注意视野中呈现的数字。即系统随机选择一个4位数数字呈现在挡风玻璃上(持续时间约为300ms),要求被试看到后立即读出,录音机将记录其反应情况。数字呈现位置(固定位置和随机位置)及间隔时间(0.6s和2.4s)形成4种注意条件。测试结果表明在第一个任务中两组被在驾驶速度上不存在差异,而在第二个任务中,患者组产生更多的错误。此外发现两组被试的驾第18卷第3期 虚拟现实技术应用于神经心理评估的研究概述-513-驶速度均受到了数字呈现快慢的影响。此研究检测到了传统方法所不能测量到的分配注意对实际驾驶任务的影响。而Biederman等人(2007)则以相似的虚拟驾驶任务为范式评估ADHD成
14、年患者的执行情况,结果发现患者的直接注意不足显著影响其正常驾驶并可能导致严重的交通事故。Parsons等人(2008)则以虚拟战区为场景,以年轻被试为对象,意在评估刺激复杂度、强度的增加对被试执行注意任务的影响。12名健康年轻被试(平均年龄26.71 4.49岁)先接受一组传统纸笔测试,包括韦氏成人智力量表第三版(Wechsler Adult Intelligence ScaleThird edition,WAIS-III)中的记忆广度测验(digit span)和数字符号译码测验(digit symbol coding)等。随后在虚拟战区场景中,被试要执行固定位置测试和驾驶悍马的注意任务。在
15、第一个测试中,为了考察选择注意,一个虚拟新兵向被试报告出现的不明虚拟人物身份,可能是美国士兵、伊拉克警察、伊拉克平民或潜在叛乱分子,被试要立即判别报告是否正确;为了考察工作记忆,被试需要完成对听到的末尾呈现的两个数字的相加任务。在第二个测试环境中设有“安全区”和“埋伏区”,需要被试在驾驶悍马过程中立即读出挡风玻璃上呈现的4位数字(持续时间约为300ms),数字呈现位置(固定位置和随机位置)和间隔时间(2s,1.5s和0.725s)形成6 种注意条件。测试结果表明,随着刺激复杂度或强度的增加被试的执行成绩都有显著下降。此研究通过与传统测试结果的比较证实了基于VR技术评估的可行性和有效性。2.2
16、单侧空间忽略(unilateral visual neglect)单侧空间忽略是对病损半球对侧空间的刺激不能反应和定向,常出现在右半球受损的患者当中。基于纸笔的传统评估测试主要有线段等分、取消任务、临摹和画图等(Plummer,Morris,&Dunai,2003)。VR评估测试不仅能对传统测试进行再现,而且可以模拟生活场景来测量更复杂的忽略情况。此外,此测量方法在跟踪被试视线的位置、估计他们的注意强度和注意转移方面具有显著优势。Baheux等人(2007)用VR技术模拟了线段等分测试,运用附有眼睛跟踪装置的系统对2名真实患者(平均年龄72 1.5岁)和44名健康被试(分为年轻、老年健康组和年
17、轻、老年健康模拟患者组)的注视模式进行比较。系统根据以物体为中心的忽略来模拟半侧空间忽略,从而人为产生健康模拟患者。被试要执行标准和简化视野两个条件的任务。测试结果表明,真实患者和健康模拟患者具有相似的眼睛注视模式。真实患者的平均执行误差(以所占一半线段的百分比作为偏离中心位置的执行误差)在标准条件下为38%而在简化视野条件下则超过60%,简化条件显著影响了真实患者的执行成绩。而健康模拟患者在两个条件下的执行结果没有显著不同。此差异可能源于系统模拟单侧空间忽略的限制。研究结果表明VR评估能有效评测患者的单侧空间忽略。同时Broeren等人(2007)模拟了取消任务,评估8名右半球中风患者(4名
18、视觉忽略,4名初期症状已得到临床康复:平均年龄54岁)和8名健康被试(平均年龄53岁)的执行情况。具体要求被试操纵一个触觉力反馈笔来按压屏幕上所有标记为1的目标。作为比较,被试也要接受传统星取消测验(star cancellation test)和 焙 烤 托 盘 任 务(baking tray task)。测试结果表明,在VR任务中不仅患者具有异常的搜索表现,如:重复目标按压和背离的手运动,而且通过纸笔测试认定康复的患者在VR测试中也表现出持续异常。研究表明VR测试能检测到传统测试探查不到的细小差异,提供的信息更丰富、具体,测量结果更可靠。除模拟传统测试外,研究者也通过构建日常生活场景来评估
19、忽略情况。美国费城Moss康复研究所Buxbaum等人(2008)借助虚拟轮椅导航任务评定9名右侧半球损伤患者(平均年龄57.3 14.6岁)的单侧空间注意和忽略情况。31寸平板显示器呈现一个虚拟通道场景,要求被试通过操作轮椅上的游戏杆实现漫游,并命名沿途碰到的物体,根据物体复杂度(简单,复杂)和导航者(被试,实验者)形成4种测试条件,简单条件下在通道的每边各呈现10个物体,分别是各种颜色的树木和普通动物雕像;而在复杂条件下则在两边各加入电话亭、喷泉、长凳、指示牌等10种公共设施。为了形成对照,被试同样执行一个真实轮椅导航任务。此外,被试也接受一组包括线段等分、字母取消等在内的纸笔测试和双重任
20、务测试。实验结果表明VR测试对物体复杂度和导航者更敏感,在实验者导航的简单条件下可取得较高的执行成绩。VR测试比传统测试与轮椅导航任务的相关-514-心理科学进展 2010年 性更高(r=-0.85),并能检测到传统方法测不到的轻度忽略。随后研究小组复制了以往测试实例对大样本右半球中风患者进行注意不足的细化,并引入一个具有移动干扰的新任务来进一步加强测试的灵敏度。18名右半球中风患者(平均年龄58.6 10.2岁)执行新版VR测试及一组标准忽略和注意测试,实验结果表明VR测试不仅可以得到传统评估的评测结果,而且还能检测到细微差异,发现有3名被试虽然在传统测试中被评为正常,但在VR测试中他们仍存
21、在一定程度的单侧忽略。此结论证实VR评估的可靠性好,对轻度障碍的检测更细致灵敏,并有希望应用于临床评估(Dawson,Buxbaum,&Rizzo,2008)。3 记忆(memory)记忆常被描述为多个学习和记忆系统的形式(过程的,感知的,语义的,时序的)。引起记忆损害的原因很多,如脑外伤、各种脑变性疾病。患者常表现出定向力障碍(Disorientation)(失去对 时 间、空 间 及 辨 认 熟 人 的 能 力),错 乱(Disorganization)(忘记与别人的约会、口信、做事意图、指令、常丢东西)和重复行为(Repetitive act)(重 复 同 一 问 题,同 一 事 件,同
22、 一 动 作)(Brooks,&Rose,2003)。虽然传统评估方法有很多,如Rivermead行为记忆测验(Rivermead Behavioural Memory Test,RBMT),但是其结果与现实生活的记忆相关度较低。此外由于在测试过程中被试的动机保持困难,因而影响最终结果,降低了评测的有效性。VR技术可以以更接近现实生活的方式提供基于趣味动机的测试环境,进而创建特定功能环境以便发掘更具体的记忆类型。3.1 前瞻记忆(prospective memory)前瞻记忆(个体记住在将来某个恰当的时间执行先前意向的行为,如:记住未来将要做的事情)的损害导致与错乱相关的无能力,如忘记要关掉或
23、打开煤气炉。有效的前瞻记忆测试显而易见 是 十 分 必 需 的。与 日 常 记 忆 相 关 的 传 统Rivermead行为记忆测验仅有两、三个项目与前瞻记忆相关,不足以区分基于时间、活动和事件的不同前瞻记忆类型。而VR评估方法可以模拟自然场景,不仅可以引发和测量被试的不同记忆,而且在测试结果的可理解、可预测性方面更具 优势。英国东伦敦大学Brooks等人(2002,2004)以虚拟住宅为背景研究中风患者和健康被试的前瞻记忆在事件、活动和时间上的交叠情况。该测试通过计算机呈现住宅场景,42名患者和29名年龄相当的健康被试通过操作游戏杆和鼠标执行相关任务。实验者告知被试虚拟住宅的主人正在搬家,要
24、求被试为搬运工组织要搬走的物品,并记住完成以下任务:在移动玻璃制品前贴上“易碎“标签(任务建立在事件上);每次离开厨房时要关门,防止猫溜出(任务建立在活动上);每5分钟要到位于走廊的时钟附近按一下红色按钮(任务建立在时间上)。除此之外被试还要接受现实生活前瞻记忆测试和前瞻记忆问卷测试等。结果表明17名患者和4名健康被试不能想起与前瞻记忆相关的三个任务,并对患者而言,如果不能想起要做的事,即使在他执行的时候也很少能想起。其余25名患者的执行结果表明,他们与事件、活动相关的前瞻性记忆受到了严重损伤(基于事件:p=0.004;基于活动:p 0.001),而与时间相关的前瞻性记忆损伤程度较轻(p=0.
25、05)。而与标准评测结果的比较则说明VR评估方法不仅能很好的实现实验控制而且可以显著提高生态效度,获得的检测结果更具体细致,对于实际康复策略的制定具有更重要的参考意义。相同实验程序和环境也被用于比较前额叶损伤患者和健康被试的前瞻记忆研究(Morris,Kotitsa,Bramham,Brooks,&Rose,2002)。结果表明在基于时间的任务上患者表现最差,其次是基于事件的任务,但在基于活动的任务上两组被试没有明显差异。评测结果能对患者和健康被试进行很好的区分。而Pair等人(2006)根据美国军队的士兵训练需要,研发VR认知执行评估测试用于评估训练情况。通过头盔显示器呈现一个虚拟中东城市,
26、以此为背景评估患有创伤后压力症(Post-Traumatic Stress Disorder,PTSD)士兵的前瞻记忆。评测过程由三个阶段(各5分钟)构成,在第一阶段中,被试需要记住无关联的语义信息(数字661,一只狗,穿白鞋的男子等)并作回想。在第二阶段被试熟悉5个地区场景并学会交互操作对象。在第三个测试阶段,每个地区的不同地点将呈现两个被试先前记住的信息,被试根据要求按顺序搜索5个地区的不同目标并执行取消或收集操作。如果时间超过1分钟,系统将发出警报并提醒被试转到下一个地区执第18卷第3期 虚拟现实技术应用于神经心理评估的研究概述-515-行搜索任务。系统记录收集的目标、花费的时间等信息。
27、此评测模型作为前期研究已逐步得到应用,而后期研究将涉及到对执行功能、注意、空间能力等测试。3.2 情景记忆(episodic memory)情景记忆是指对个体在一定时间和地点发生的、亲身经历过的事件或情景的记忆。发生事件或情景中的元素被捆绑在一起进行编码,形成一个一致的表达形式,从而对一个场景元素的回忆会关联到其他元素(Tulving,2002)。在情景记忆的成分研究方面,必须设置具体背景,以便评估关于“何事”、“何时”、“何地”和细节的记忆。而一般通过传统测试得到的评测结果在再认图像、物体、人物等方面与真实情况相差较大。而虚拟现实的任务场景更接近生活,任务执行中被试可以意外的接受基于所碰到物
28、体和人的测试。英国伦敦大学学院的Burgess等人(2001)以虚拟城市为背景研究健康被试情景记忆的脑神经机制。17英寸显示器呈现场景,13名大学生被试(平均年龄27.2 1.0岁)通过操纵4个方向键实现漫游,途中将在两个不同的地点接收来自两个不同虚拟人物递给的物体,总共需要拿到16个物体。虚拟人物、地点和物体构成16个事件。任务结束后,被试在强迫选择测试中接受功能核磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)检查。被试将置身于一个虚拟背景中,针对系统呈现的两个物体回答以下可能的问题:在这个地点,你接受的是那个物体？这个人给你的是那个物体？
29、那个物体更宽一些？测试结果表明海马皮层(parahippocampal cortex)、右顶后皮层(right posterior parietal cortex)和后内侧顶皮层(posterior medial parietal cortex)与空间信息的提取相关,前额叶的活动与策略的提取过程相关(如排除高度类似的事件)。Burgess用相同实验环境也探讨了海马与空间记忆、情景记忆的关系(Burgess,Maguire,&OKeefe,2002)。13名健康被试(平均年龄27.2 1.0岁)要执行空间和情景记忆任务。在空间记忆任务中,被试先漫游城市,系统评测他们的正确导航能力。随后呈现给被试
30、一幅虚拟城市的地点照片,或是找到的目标,或是一个新地点。被试要尽可能将这个地点与虚拟城市联系起来。情景记忆任务与前期研究相同。实验结果表明右侧海马明显与场景中的空间记忆相关,而左侧海马则与依赖于背景的情景记忆相关。随后研究小组在相似场景中也探讨了前额叶前部与情景记忆和来源记忆(source memory)的关系(King,Hartley,Spiers,Maguire,&Burgess,2005)。Plancher等人(2008)则利用VR评估发现了情景记忆的年龄差异。通过测试113名年轻人(平均年龄21.57 2.99岁)和45名老年人(平均年龄59.42 9.85岁)执行虚拟城市中的驾驶任务
31、,考察他们的情景记忆成分。被试在有9个弯道的路上进行被动或主动驾驶,沿途依次经过办公楼、商店、施工路障、市政厅、饭店和火车站等,将碰到一起两车相撞的车祸发生在火车站前。随后被试接受自由回想(何时,何地,何事及细节)和再认测试。作为比较,被试也接受相关的传统纸笔测试。测试结果表明,相对年轻人,不论在被动还是主动驾驶条件下,老年人对时空内容和事件细节的回忆较差。此外在虚拟测试中,被试的记忆抱怨与他们执行得分直接相关(p 0.05),而在传统测试中没有发现此情况。研究说明虚拟测试比传统测试更有希望来评估人们的日常情景记忆。3.3 空间记忆(spatial memory)空间记忆与周围环境信息和空间方
32、位相关,是个体能独立生活的必需条件。在传统测量方法中,以自我为参照(egocentric)的空间记忆在人类实验中得了评估,如物体位置测试(Wang&Spelke,2002)。而以环境为参照(allocentric)的空间记忆在动物实验中得到了评估,如Morris水迷宫(Morris Water Maze,MWM)(Morris,1981)测试和8臂迷宫(Radial Arm Maze,RAM)(Bond,Cook,&Lamb,1981)测试。Morris水迷宫用于研究老鼠空间能力:从游泳池的任意一个指南针基点方向被放入的老鼠必须学会通过寻找水下隐藏的平台从水中逃出。在此过程中,老鼠要借助游泳池
33、墙壁上的提示信号的空间分布来定位。此任务可被用来参考评估动物的空间记忆,实际场景很难应用于人类。而VR技术使之成为可能,虚拟Morris水迷宫(virtual MWM,vMWM)场景呈现在显示器上,人们通过操纵游戏柄实现平台寻找任务(Kallai,Makany,Karadi,&Jacobs,2005;Vorhees,&Williams,2006)。Hanlon等人(2006)的研究检测到了精神分-516-心理科学进展 2010年 裂患者在执行依赖于海马的任务时的行为不足。年龄在2060岁间的22名患者和22名健康被试要完成两个条件的任务:以自我为参照的可见平台条件和以环境为参照的隐藏平台条件。
34、正方形平台占泳池面积的1.75%,系统所设置的45度视角可以使被试看到1至2个墙壁上的空间提示。测试结果表明,在隐藏条件下,相比健康被试,总体上患者寻找平台花费的时间更多,走过的搜索路径也更长。在可见平台条件下,患者和健康被试间不存在显著差异。美国巴尔的摩老年医学研究中心Moffat等人(2002)则针对104名健康志愿者(平均年龄61.35:2593岁)比较了老年人和年轻人的空间记忆情况。评估由vMWM测试和认知图(cognitive map)测试构成。第一个测试结果表明老年组比年轻组为定位隐藏平台经过更长的路径,此外,在实际探索阶段年轻组搜索时所途经的大部分地点都靠近平台。第二个测试结果表
35、明老年组不用空间几何信息而用最接近的物体来定位目标,表现出他们缺乏一定的环境参照能力。其他类似研究也检测到了年龄差异对空间记忆的影响(Moffat,Elkins,&Resnick,2005;Antonova,Parslow,Brammer,Dawson,Jackson,&Morris,2009)。另外一些研究则说明了性别上的差异(Rahman,&Koerting,2008;Mueller,Jackson,&Skelton,2008)。而Shipman等人(2008)则以vMWM为背景,揭示人类海马与空间记忆的相关性。要求28名年轻健康被试(平均年龄21.4:1926岁)在执行平台可见、隐藏和固
36、定期(fixation period)三个条件的任务时接受fMRI检查。实验结果表明海马旁回、楔前回和梭状回的Bold信号活动在隐藏条件下比在可见条件下更明显。右海马的Bold信号在固定期有所增加。相似的研究工作也出现在其他报告中(Astur,Germain,Tolin,Ford,Russell,&Stevens,2008;Antonova,Parslow,Brammer,Dawson,Jackson,&Morris,2009)。VR技术也创建了虚拟8臂迷宫(virtual RAM,vRAM),在实际动物实验中,老鼠应该在迷宫中找到食物,而在VR实验中,人类被试应该找到迷宫某些分支顶端的奖赏。
37、在美国耶鲁大学Astur等人(2004)的研究中,测量被试找到4个奖赏的速度和所经过的总路径,同时记录执行错误,如进入一个没有奖赏的分支或重复进入相同分支。如果3分钟后被试仍未找到奖赏则终止测试,共有20个控制测试。比较平均年龄为19.4岁的24名男性和37名女性大学生在vMWM和vRAM中的执行情况,发现男性在vMWM中表现较好,而在vRAM执行中没有发现两组被试的差异。随后研究小组将fMRI与vRAM相结合,研究13名年轻被试在任务执行时的海马变化情况(Astur,Germain,Baker,Calhoun,Pearlson,&Constable,2005)。实验结果应证了双侧海马与vRA
38、M的相关性,并且发现海马在任务的空间记忆成分中的相对去激活现象。3.4 地形定向(topographical orientation)地形定向障碍与复杂的认知损伤有关,是源于顶叶、颞叶和枕叶脑损伤的主要后遗症之一(Corbetta,Kincade,Ollinger,McAvoy,&Shulman,2000;Culham,&Valyear,2006)。其患者常在日常环境中不能确定自己的位置,不能从某一地点A到达另一地点B,其原因在于患者不能再认应该认识的环境特征元素,是视觉刺激定义分析上的失败(“是什么”系统);他们不能再认场所的方位,是识别元素间拓扑空间关系(在上/下,在左/右,在前/后等)上
39、的失败(“在哪里”系统)。由于传统的实验室评估不支持被试的日常交互,因此限制了他们的空间行为,从而评估者所观察和测量到的结果往往具有一定的偏差,不能反映他们的真实地形定向情况。而VR技术解决了交互问题,在VR环境中通过观察被试的动态实时交互,评测者将更清楚地了解被试对空间知识的组织以及使用认知图的情况。VR评估建立在虚拟环境的找路模型之上(Darken&Peterson,2002)。此模型通常要求寻路者从对环境的第一感知或者对一幅认知图的回忆出发执行特定任务,如地标再认和地点定位等。在感知层面上,寻路者可以通过直接观察照片等间接表示来获取地标信息。在认知图层面上,寻路者可以通过直接经验或是记忆
40、中的模拟经验获得路线信息。研究者依此为标准范式,展开了许多研究工作。Morganti等人(2007)将标准的神经心理测试和基于VR的评测相结合评估脑损伤病人的空间定向。4名男性脑损伤患者(平均年龄31.7 1.5岁)和10名健康男性被试(平均年龄29.3 4.5岁),执行一系列的传统笔纸测试、一个虚拟迷宫测试和一个虚拟线路图测试。在虚拟迷宫测试中,患者先执行以环境为参照的迷宫纸笔版本第18卷第3期 虚拟现实技术应用于神经心理评估的研究概述-517-任务,并努力记住。随后在以自我为参照的虚拟迷宫里找到正确路线,系统记录执行时间。在虚拟线路图测试中,要求被试使用导游图在一个虚拟城市中沿着设定好的路
41、线行走。城市里的建筑具有相同的纹理并且没有地标作为导航帮助,系统记录执行时间和出错情况。实验结果表明对于所有虚拟测试,患者比健康被试所花费的执行时间更长(p=0.013)并且出错也越多。研究说明与传统测试相结合的虚拟评估系统对地形定向的评测更可靠、有效。意大利罗马大学的Palermo等人则(2008)研究个体地形定向能力与心理意象(mental imagery)之间的关系,特别评定形成和使用认知图的能力以及不同心理意象所起的作用。15名女性健康被试(平均年龄23.3 3.24岁)和17名男性健康被试(平均年龄23.9 4.11岁)执行两个阶段测试。第一阶段为认知图测试。实验环境是一个虚拟城市,
42、建筑物具有相同的纹理,城市中有6个清楚可识的地标(电影院,花店,餐厅等)。被试要执行两个测试任务,学习任务和搜索任务。学习任务的目的在于让被试形成认知图,被试通过自由漫游虚拟城市而创建一个包括地标位置在内的城市心理表示。在搜索任务中,被试要借助形成的认知图,通过最短路径尽可能快的找到特定地标位置。为了测试的顺利进行,在正式测试前,设有一段练习期和一段控制期任务,以确保被试与虚拟环境的正确交互。第二个阶段则通过实施一些表测试(table-tests),包括心理旋转测试(Mental Rotation Test)、改进的时钟测试(oclock test)等,来评估复杂心理意象的不同成分。实验结果表
43、明,形成认知图的能力与实现简单几何形状的心理旋转和想象自己在图上运动的能力相关。其他想象能力,如从记忆中生成心理意象或心理操作对象的能力不与形成认知图的能力相关。并且发现在形成认知图和执行一些心理意象测试上,存在性别差异。随后研究小组采用虚拟场景下的相同实验范式,探讨被试在形成和使用认知图上的年龄差异(Iaria,Palermob,Committeri,&Barton,2009)。30名年轻人(平均年龄23.9:1930岁)与25名老年人(平均年龄55.8:5069岁)在达到练习阶段的要求后,要执行学习(形成认知图)和搜索(使用认知图)任务。以被试能在一幅简明环境俯视图上正确标记6个地标的位置
44、为学习任务结束条件,其间记录被试所花费的时间。在搜索任务中,通过计算被试的到达目标位置的平均时间延迟以及记录的出错数来反应他们使用认知图的情况。实验结果表明老年组需要更多的时间形成认知图(老年组:平均时间53.32 28.3s;年轻组:平均时间9.6 9.4s;p 0.0001),并且认知图的使用效率低,出错也越多(老年组:平均出错7.28 2.37;年轻组:平均出错1.3 1.15;p 0.0001)。研究指出这可能是造成老年人定向能力下降的原因。4 执行功能(executive function)执行功能是为了达到特定目标并排除干扰而涉及的许多认知加工过程,包括计划、抑制-转换、注意保持,
45、工作记忆、顺序选择、多任务处理、监督控制、认知适应性和错误纠正等(Burgess,Veitch,de lacy Costello,&Shallice,2000)。执行功能障碍主要是由额叶皮层损伤导致,但也常出现在神经病学中,如帕金森病(Parkinson Disease,PD),多发性硬化症(Multiple Sclerosis,MS)。患者可能表现出言语和行为紊乱、异常或不适当的人与人之间的关系或性行为,以及冲动或持续性固执的想法和行为。由于其认知过程复杂,所以传统评估方法备受争议。源于传统实验室测试与现实生活中的执行情况间的显著差异。传统测试缺乏接连发生的事件,不能如实反映被试的选择和决策
46、过程;此外由于受到时空限制,一定程度上影响了被试执行的自然性;同时多数情况下主要通过语言来描述场景,在真实性、可靠性上受到严重制约。而VR评估不仅可以再现传统测试而且对于任务的呈现更接近现实,尤其在控制任务复杂度、被试的执行时间、情感约束和兴趣等方面令许多研究者欢欣鼓舞。Josman等人(2008)以中老年人为研究对象,在一个中型虚拟超市中比较评测23名脑卒中患者(平均年龄59.1 5.5岁)27名轻度认知损害患者(平均年龄69.5 7.3岁)和30名精神分裂患者(平均年龄46.7 10.6岁)的执行情况。超市设有4个收银台,涉及收银员、鱼贩、肉贩和顾客等虚拟人物。被试先通过练习环节熟悉场景,
47、之后接受没有时限的购物测试,即根据购物清单购买7件商品。被试要在购物中同时执行12种行为。如果他们出现重复选择商品、未结帐就离开超市等情况,则视被试的执行失败。系统记录被试的执行时-518-心理科学进展 2010年 间、经过的路径、停留次数、购买的商品数等信息。测试结果表明精神分裂患者虽然与脑卒中患者的执行相似,但是在总体执行时间、购买的商品数等5个方面存在显著差异。而对轻度认知损伤患者而言,虽然他们会产生最多的停留和失败行为,但是仍能完成购物任务。而对于精神分裂患者,虽然他们的执行时间最短,出现的停留也最少,但有14名患者(47%)会疏忽了结帐就离开。三组被试相比较,总体上脑卒中患者表现最好
48、。根据评测结果,超过70%的被试可以得到正确分类。相同评测工作也在30名轻度认知损害的老年患者(平均年龄69.5 7.3岁)与30名健康老年人(平均年龄69.2 7.4岁)之间展开,结果发现两组被试的执行差异显著,组间区分度大。研究再次印证了虚拟超市作为执行功能评估工具的可靠性 和 有 效 性(Werner,Rabinowitz,Klinger,Korczyn,&Josman,2009)。以色列海法大学Rand等人(2007)以一个大型虚拟超市为背景,研究脑卒中患者和健康控制组的执行情况。在已熟悉场景交互的基础上,14名患者(平均年龄61 11.2岁)和93名按少年组(平均年龄14.6 2.5
49、岁)、年轻组(平均年龄26 2.6岁)及老年组(平均年龄60 5.5岁)化分的健康被试接受虚拟购物测试,需要根据购物清单购买糖、米在内的4件商品。系统记录被试的执行时间、购物顺序、购买的商品类型和数量等信息。任务结束后,被试要接受一个关于临境感的反馈调查和感觉尽力程度(perceived exertion)评定。测试结果表明,患者组的购物时间明显最长,大约需要5.616.2分钟,而三组健康被试间不存在显著差异。此外,老年人比患者购买更多的错误商品,而少年组和青年组执行较好。在临境感反馈测试上,被试组间均不存在差异。感觉尽力程度上的差异只出现在青年和患者之间。而虚拟公寓作为生活场景则出现在Kur
50、tz的研究中(2007)。在由卧室、客厅、厨房和带有药箱的洗浴室所构成的虚拟公寓中评估25名精神分裂患者(平均年龄42.1 10.5岁)和18名健康被试(平均年龄39.1 11.0岁)的药物治疗技能(medication management skills)。被试先通过执行探查阶段的任务以熟悉场景及任务流程,包括打开客厅的电视机、检查时间、根据虚拟处方到药箱取药等活动。而在正式测试阶段,要求被试根据虚拟处方的要求在15分钟内取到特定药物。被试可以根据电视机上的虚拟时钟核查时间并可以利用厨房冰箱上提示牌提醒自己要取的药品。在执行过程中会遇到电话铃声、门铃、狗叫和警报器的声音干扰(约持续10s,间