治療弱視，也用上了AR技術

人類雙眼在功能上是不平衡的。早在公元前330年，古希臘哲學家亞里士多德就對此做過描述。到1673年，義大利比薩大學的物理學家和生理學家博雷利進一步提出存在視銳度的眼優勢。此後在19世紀、20世紀里，關於眼優勢的個體差異的研究逐漸興起。人們也逐漸認識到了大腦和眼睛共同作用產生視覺，眼睛將光聚焦到位於眼球後部的視網膜，然後視網膜細胞會激發出神經信號，這些信號通過視神經傳至大腦的視覺皮層；當一隻眼睛的輸入信號較差時，大腦中來自於另一隻眼的信號就變得更加主導；而弱視就是一種反映了極端不平衡的眼優勢的視覺疾病，指的是一隻眼的視力由於這隻眼不能恰當地同大腦一起工作而下降，以至於單眼或雙眼矯正視力仍達不到0.8，兩眼視力差大於等於兩行，因此弱視也被稱為懶惰眼(lazy eye)。弱視在人群中發病率較高，約佔總人口的3%。

弱視通常在幼年發生，主要由視覺剝奪，雙眼交互作用以及視覺皮層上接受來自於兩眼輸入信號的神經元之間的抑制導致。對於弱視的治療，傳統方法是把好眼遮蓋，鍛煉孩子使用弱眼。這種方法難免對孩子的心理造成一些負擔，例如在學校里可能會經常遇到如下圖所示的周圍人的歧視，孩子的心理陰影面積可想而知。並且對孩子的好眼的過度遮蓋也可能導致強弱眼視力翻轉，造成所謂的遮蓋性弱視。除了單眼遮蓋，也有人採用藥物來治療兒童弱視，方法是將1滴阿托品藥物滴到強眼，暫時性地造成該眼視力模糊，這樣兒童就會使用患有弱視的眼，特別是在關注近距離的物體時。然而，用阿托品有一個缺點：阿托品滴液有副作用，它可能會在眼內產生囊腫結節。另外，單眼遮蓋這類辦法對於成年人的作用不大。所以神經科學領域長久以來認為成年人的眼優勢已經相當穩定，重塑的希望不大。

繪圖：心理所周雯研究組葉玉婷

令人欣慰的是，自博雷利之後，同樣來自於義大利比薩的 Lunghi 等人通過雙眼競爭任務測量單眼遮蓋之後的效果，發現成年人的眼優勢仍具有可塑性(Lunghi, Burr & Morrone, 2011)。這無疑激發了視覺以及神經科學領域的科研人員的動力去嘗試各種改善弱視患者視力的方法。

其中較早被嘗試的是知覺學習的辦法，起初是讓患者在實驗室遮蓋住好眼，讓他們使用弱眼看電腦屏幕上的刺激圖形，持續多天地完成一定的視覺訓練任務，以達到提升弱視眼視力的目的。不過知覺學習的效果常常局限於訓練時所使用的視覺刺激的屬性(Sagi, 2011)，這就不利於將訓練效果擴大到日常生活中的任何視覺對象。並且，患者往往需要前往指定的研究機構，在有經驗的科研人員的指導下接受訓練。這就造成了時間、交通、人力上的成本。另一種近幾年興起的辦法是在知覺學習方法基礎上改良的，即通過玩視頻遊戲的辦法來治療弱視。可是，玩遊戲的同時還是不能幹其他事情；玩視頻遊戲也可能會限制受試人群的範圍，畢竟不是所有人都喜愛玩遊戲，尤其是成年人；當然，玩視頻遊戲可能會更受未成年患者的青睞，可是未成年人較易對視頻遊戲成癮。遊戲成癮的危害，相信現在的很多家長深有體會，看看下圖中正在聽課的孩子腦子裡在想什麼就不難理解了。實際上，科學界早有報導視頻遊戲成癮對於認知控制可能造成損傷(Sun, Ma, Bao, Chen & Zhang, 2008)，這類由視頻遊戲成癮造成的負面問題最近也已經得到了研究者的廣泛關注(Rossé, 2012; Suissa, 2014; Gentile, Bailey, Bavelier et al., 2017;Xu, Chen & Adelman, 2017)。

繪圖：心理所周雯研究組葉玉婷

為了克服諸多治療弱視的方法的缺陷，找到一個無需用藥、不擔心遮蓋性弱視、不用前往研究機構、不會成癮、不局限於訓練刺激屬性、不會耽誤工作學習和生活的理想的解決辦法，中國科學院行為科學重點實驗室鮑敏研究組開發出一種新穎的可穿戴的增強現實（augmented-reality，簡作AR）技術，使人們有望在日常活動中治療弱視和重塑雙眼平衡。

鮑敏研究員開發的這套系統，廣義上可以認為是一種特殊的 AR 技術，與常見 AR 技術的區別在於，它並沒有在攝像頭拍攝的畫面上疊加環境中並不存在的物體（例如箭頭提示或者網頁窗口等），而是把原始攝像頭拍攝畫面中的某些視覺屬性經過特殊的演算法改變後再呈現給佩戴者。所以佩戴者看到的畫面就是經過某種改變後的周圍的真實世界。因此該系統也被稱為更改現實系統。系統會實時呈現雙眼互補的攝像頭視頻，因此通過該裝備，佩戴者可以在與周圍環境實時交互的同時，被迫協作使用兩隻眼觀看世界。

使用 AR 技術可以克服傳統實驗室訓練的一些不足，例如該方法通過計算機程序電子化地調節真實環境的視覺輸入，使視覺適應訓練得以整合到日常生活中。這樣病人就不需要花費時間到指定研究機構去治療，也不會因為長時間觀看特定實驗刺激造成他們無法觀看現實場景而影響學習、工作和生活。

更令人稱讚的是，該訓練的效果持續時間可以超過兩個月，每天3小時連續幾天的適應訓練可以使兩眼變得更為平衡，且這一效果在適應訓練結束後的兩個月繼續增強，而這一階段中被試已經處於日常生活的視覺環境。在第一個實驗中，這一雙眼再平衡效果的測量和跟蹤是基於雙眼競爭任務。實驗結果顯示，在5天的訓練階段，雙眼不平衡的正常成年人知覺到來自強眼和弱眼的光柵時長比例逐漸接近；而在告別適應訓練後的跟蹤後測階段，兩眼知覺到的時長比例隨著時間的推移變得更加接近；此效應在適應訓練結束後的兩個月達到最大值，在四個月時仍然可以被觀測到。

他們還對18名弱視患者使用了類似的訓練流程，結果患者的弱視眼視力改善了1.5行（logMAR視力表）。此外，該研究還在另外一組被試上檢驗了除雙眼競爭以外的6種不同視覺任務的成績受適應訓練的影響。結果發現這種適應訓練顯著改變了包括離眼運動一致性、視銳度、艾賓浩斯錯覺和眼間相位整合任務的成績。

該研究發現的訓練結束後兩個月里，被試雖然生活在正常視覺環境，眼優勢卻繼續變得更加平衡的現象尚屬首次報導，這將吸引神經科學領域的研究者進一步探明其背後的機理；此外，該方法整合了國際熱點的增強現實技術，響應中科院「三個面向」的方針，在未來有著很好的應用前景。未來對國內外臨床眼科、神經科學、可穿戴設備及感測器等相關研究領域都將帶來重要的推動作用和影響。

該研究工作在與心理所蔣毅研究員、北京同仁眼科醫院劉麗娟醫生、美國明尼蘇達大學 Stephen Engel 教授的合作下完成，研究成果已在線發表於心理學領域的頂級實證性雜誌 Psychological Science 。這是該團隊繼2014年在美國視覺科學協會（VisionSciences Society）年會報告中首次宣布該方法的基本原理和預實驗結果後，將此工作在國際刊物上正式發表；也是我國科學家在世界上首次把視覺可塑性的基礎研究與 AR 技術的開發應用相結合的突破性成果。

該研究受國家自然科學基金（31371030, 31571112, 和31525011）和中國科學院重點部署項目（特支項目，KSZD-EW-TZ-003和QYZDB-SSW-SMC030）的支持。

作者：鮑敏

來源：中國科學院心理研究所