《Brain Topography》：Similar Sensorimotor Activations with and without Virtual Limbs During Action Execution and Observation in Neurorehabilitation Systems
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虚拟现实（VR）康复系统通常通过虚拟肢体来表征动作。然而，先前的仅观察研究表明，参与动作观察和执行的额顶（frontoparietal）网络也可能被更简单的虚拟效应器所激活。在本项功能性磁共振成像（fMRI）研究中，研究人员考察了在虚拟神经康复任务中，虚拟肢体
虚拟现实（VR）康复系统通常通过虚拟肢体来表征动作。然而，先前的仅观察研究表明，参与动作观察和执行的额顶（frontoparietal）网络也可能被更简单的虚拟效应器所激活。在本项功能性磁共振成像（fMRI）研究中，研究人员考察了在虚拟神经康复任务中，虚拟肢体的视觉存在是否调节了动作执行和动作观察期间的脑活动。二十四名健康的右利手志愿者在四种条件下执行了消除任务：点执行、手执行、点观察和手观察。分析显示，在两次运行中，手条件和点条件下的额顶及感觉运动激活相似，且直接的手与点对比未揭示显著的校正后差异。在此测试的视动条件下，虚拟肢体的视觉存在与整体额顶/感觉运动激活的显著差异无关。这些发现支持开发更灵活的虚拟康复任务，并扩大了未来系统设计中可考虑的视觉效应器范围。
**论文解读：虚拟康复中视觉效应器形式对脑激活影响的 fMRI 研究**
**研究背景与意义**
镜像神经元系统（Mirror Neuron System, MNS）是理解动作和促进模仿的关键神经基础，其在个体执行动作及观察他人执行相同或类似动作时均会被激活。这一特性启发了神经康复领域的动作观察疗法（Action Observation Therapy），即通过视觉呈现动作来 engage 受卒中影响的运动相关额顶网络，从而促进大脑运动区的重组。近年来，虚拟现实（VR）技术因其能增强患者动机、提供特定反馈及校准难度等优势，成为感觉运动神经康复的重要工具。现有的 VR 康复系统常利用虚拟肢体（如虚拟手臂）来展示动作。然而，先前的探索性研究提示，即使是简单的虚拟物体（如球拍或光标）的运动，只要被观察者感知为熟悉的运动行为，也能引发显著的额顶网络激活。鉴于此，研究人员提出疑问：在包含动作执行和观察的综合康复任务中，是否必须呈现虚拟肢体才能有效激活相关的感觉运动网络？解答这一问题对于简化 VR 系统设计、提高任务灵活性及降低开发成本具有重要的理论与实践意义。本研究旨在通过功能性磁共振成像（fMRI）技术，探究在虚拟神经康复任务中，虚拟肢体的视觉存在与否是否会对动作执行和观察期间的脑活动产生调节作用。该研究成果已发表于《Brain Topography》期刊。
**研究方法概述**
研究人员招募了 24 名健康的右利手志愿者（平均年龄 22.4 岁）作为样本队列。实验采用简化的 Reh@Task 虚拟现实系统，设计了一种三维环境下的消除任务（cancellation task），要求参与者将虚拟效应器移动至目标符号上方并保持 1.5 秒。实验设置了两种效应器形式：一是带有红色光标的虚拟右手臂（手条件），二是单独的红色光标（点条件）。实验包含两个主要阶段：执行运行（Execution Run），参与者使用 MRI 兼容操纵杆控制效应器完成任务；观察运行（Observation Run），参与者被动观看系统自动完成的任务演示。数据采集使用 3T Signa HD MR 扫描仪获取功能像（EPI 序列）和高分辨率结构像（T1 加权）。数据处理与分析采用 SPM12 软件，经过头动校正、配准、标准化至 MNI 空间及平滑处理后，构建一般线性模型（GLM）进行组水平分析。研究重点比较了手条件与点条件在额顶叶及感觉运动感兴趣区（ROI）的激活差异，并进行了执行与观察任务的联合分析（conjunction analysis）。
**研究结果**
**动作执行期间的全脑激活**
在执行任务中，无论是否存在虚拟肢体，研究人员均观察到广泛的皮层及皮层下区域激活，包括枕叶、体感及运动系统（额顶区域）、辅助运动区、前运动皮层、初级运动皮层、基底节、丘脑及小脑。左侧初级运动皮层的激活与右手操作任务一致。统计分析显示，手执行条件与点执行条件之间在运动或体感系统中未发现显著差异。仅在未校正的统计阈值下，手条件在涉及身体部位感知的枕叶区域显示出微小的激活簇增加，但这并未在多重比较校正后保持显著。这表明在执行神经康复任务时，虚拟肢体的存在与否并未导致运动或体感活动的实质性差异。
**动作观察期间的全脑激活**
在观察任务中，两种条件均激活了经典的动作观察网络，涵盖枕叶及额顶区域。当观察者观看虚拟手臂运动或仅观看红点运动时，均引发了类似的脑活动模式。直接对比两种观察条件，在校正后的统计阈值下未发现脑活动的显著差异。同样，仅在较宽松的未校正阈值下，手观察条件在枕叶区域显示出微小的激活增加。因子分析进一步证实，效应器类型的主要效应主要与视觉 - 枕叶差异相关，而在感觉运动系统中无显著影响。这提示额顶叶的活动可能并非单纯由肢体的视觉存在决定，而是源于对与观察者运动库相关联的动作的观察。
**动作观察与执行的共享激活**
联合分析结果显示，无论是点条件还是手条件，执行与观察任务均在双侧前运动皮层、额下回尾部以及顶叶的上、下顶小叶等额顶区域产生了重叠激活。这些背侧区域通常与涉及物体交互的传递性动作（transitive movements）及伸手动作相关。尽管点条件的联合激活图在某些区域看似更广泛，但在直接的手与点对比中并未发现显著差异。这一发现支持了观察伸手动作引发的激活位于顶额叶背侧区域的观点，且这些区域正是卒中患者感觉运动系统受损的关键部位。
**感兴趣区（ROI）分析**
预先定义的额顶及感觉运动 ROI 分析结果与全脑分析一致，未发现在多重比较校正后手条件与点条件之间存在显著差异。在执行任务中，所有 ROI 的差异极小且置信区间包含零。在观察任务中，双侧额下回（IFG）在未校正水平上显示出点条件激活略高于手条件的趋势，但该结果未通过多重比较校正，应视为探索性发现。总体而言，数据不支持虚拟手条件能比点条件招募更强的额顶或感觉运动活动。
**讨论与结论总结**
本研究通过 fMRI 实验证实，在虚拟神经康复任务中，动作执行和动作观察均能引发广泛的额顶及感觉运动激活，且这种激活模式不依赖于虚拟肢体的视觉存在。研究发现，简单的移动光点（虚拟效应器）与复杂的虚拟手臂在激发关键康复相关脑区方面具有等效性。这一结论挑战了传统 VR 康复系统必须依赖逼真虚拟肢体的设计范式，表明只要动作被感知为与观察者运动经验相关的熟悉行为，即可有效激活镜像神经元系统及相关运动网络。
研究人员得出结论：在当前测试的视动条件下，虚拟肢体的视觉存在并未显著改变整体的额顶/感觉运动激活水平。这一发现为开发更灵活的虚拟康复任务提供了强有力的证据，极大地拓宽了未来系统设计中可考虑的视觉效应器范围。系统开发者无需拘泥于构建高保真的虚拟肢体，从而可以利用现成的电子游戏或其他简化视觉界面进行康复训练，这可能有助于提高患者的治疗依从性和参与度。虽然本研究基于健康志愿者，但其低认知负荷的任务设计暗示了其在临床人群（如卒中患者）中的应用潜力。未来的研究需进一步在临床队列中验证这些发现的转化相关性，以确定其在不同病理状态下的普适性。
