VR訓練對輕度認知障礙老年人認知功能的影響及神經機制

摘" 要" 輕度認知障礙（mild cognitive impairment， MCI）老年人是癡呆的高危人群， 然而其大腦仍具有可塑性。基于虛擬現實（virtual reality， VR）技術的訓練干預有助于延緩MCI向癡呆的進展。VR訓練能夠改善MCI老年人的整體認知功能， 特別是記憶、注意和執行功能， 其干預效果受到沉浸程度、訓練形式和任務內容等因素的影響。VR訓練提高了MCI老年人大腦神經的活動效率， 表現為相關腦區激活程度的變化以及腦區間連通性的提高。VR訓練有望成為MCI老年人認知改善的補充方法， 未來研究應明確VR干預的量效關系， 關注其長期效應， 并深入探索VR訓練改善MCI老年人認知功能的潛在機制。

關鍵詞" 虛擬現實， 輕度認知障礙， 老年人， 認知功能， 腦功能

分類號 "B844

1" 引言

輕度認知障礙（mild cognitive impairment， MCI）是指個體記憶、注意、執行功能等多種認知功能損傷的程度超出了對應年齡由于正常老化帶來損傷的范圍， 但尚未達到癡呆或阿爾茨海默病診斷標準的狀態（Petersen， 2003; Winblad et al.， 2004）。MCI老年人是癡呆的高危人群， 65歲以上MCI患者的癡呆發病率達到14.9% （Petersen et al.， 2018）， 遠高于普通人群1%～2%的發病率（Roberts et al.， 2014）。然而， 研究表明MCI老年人的大腦仍具有可塑性， MCI狀態具有一定的可逆性， 這為癡呆防治提供了一個重要的窗口期（Belleville et al.， 2011; Walsh et al.， 2020）。

目前， 針對MCI患者認知功能的干預主要分為三類， 第一類針對由于其他疾病及藥物副作用等原因導致暫時性認知下降的患者， 通過改變外因來改善認知表現。第二類為藥物干預， 然而， 現有的藥物治療研究存在大量相互矛盾的結果以及副作用帶來的不良事件（董宣如， 2020）。第三類為非藥物干預， 也是目前最受關注的MCI干預手段， 主要集中在認知干預和運動鍛煉兩個領域。對于老年人來說， 身體活動能力下降、自身活動范圍及設施等限制會導致其進行部分運動時出現阻礙， 而多數認知任務形式單調， 缺乏吸引力， 使得老年人持續執行的意愿低下， 進而影響了干預效果。

虛擬現實（virtual reality， VR）作為一種新興技術， 能夠為使用者提供多感官、動態、交互式的虛擬環境（Doniger et al.， 2018）。不同的VR設備能夠改變沉浸于虛擬世界的感受和感知現實世界的程度， 非沉浸式VR （non-immersive virtual reality， NIVR）使用計算機或游戲控制系統， 通過鼠標、鍵盤、手柄等進行控制（Salatino et al.， 2023）， 沉浸于虛擬環境的感受最低; 半沉浸式VR （semi- immersive virtual reality， SIVR）通常由屏幕、觸覺反饋裝置、紅外攝像機等設備組成， 用戶在與虛擬環境交互的同時可以感知現實世界（Bamodu amp; Ye， 2013）; 沉浸式VR （immersive virtual reality， IVR）通常包括頭戴顯示器和手部控制器等輸入設備（Salatino et al.， 2023）， 實現視覺上的完全覆蓋。VR系統可以記錄用戶的任務數據并按需反饋， 同時能與健康監測、動作捕捉、眼動儀等設備進行集成， 被視為認知和運動訓練項目的理想平臺（Kwan et al.， 2021）， 使用VR技術的訓練干預已被應用于提升MCI老年人的認知功能。

VR訓練是指在虛擬環境中完成一系列任務以提升個體認知功能水平的干預手段， 包括日常生活任務、技能學習任務、功能導向型任務和嚴肅游戲等多種內容， 依據是否進行身體大肌肉群運動， 可分為身體訓練和認知訓練， 以及結合了兩者的聯合訓練。多樣化的形式和內容能夠增強康復動機促進患者積極參與訓練（Park et al.， 2020）。VR訓練對場地限制較小， 通常在普通的居住空間就可以進行， 解決了地理距離、身體功能衰退導致的出行困難、經濟負擔等因素帶來的不便。由于使用者實際所處的環境可控， 與真實環境中進行的傳統干預相比， 安全性更高。同時， 適合于訓練內容的環境提高了MCI老年人對任務的卷入程度， 提高了干預的完成度與可持續性。

VR作為認知障礙治療工具的應用研究， 在COVID-19病毒流行且全球范圍內實施了各種程度的出行限制措施后迅速增長（Hu et al.， 2021; Jahn et al.， 2021）。研究表明， MCI老年人在接受VR訓練后， 整體認知功能、記憶、注意和執行功能均有顯著改善， 任務態和靜息態下的腦功能產生了相應的積極變化。然而， VR訓練對于改善MCI老年人各項認知功能的效益水平、長期效應及潛在機制仍不清楚。VR訓練有望成為MCI的輔助治療手段， 總結VR技術在改善MCI老年人認知功能方面的研究成果， 梳理相關影響因素， 并探討相關腦功能變化， 有助于推動VR訓練進一步的研究與實際生活中的應用， 提高老年人的健康水平。

2" VR訓練改善MCI老年人認知功能的類型

2.1 "整體認知功能

對于MCI老年人整體認知功能水平的評估通常使用蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment， MoCA）和簡易智能狀態檢查表（Mini-Mental State Examination， MMSE）。Tortora等人（2024）通過對三項研究的系統分析發現， VR訓練和傳統的認知療法對改善MCI老年人的整體認知功能同樣有效。亦有研究表明， 相較于傳統的認知訓練或身體鍛煉， VR訓練具有更為突出的效果。

在Liao等人（2020）的研究中， 實驗組的MCI老年人接受了12周沉浸式VR聯合訓練。身體訓練包括有氧運動和阻力運動， 以及擦窗戶、撈金魚、通過障礙等具有功能導向的任務， 認知訓練使用四種不同類型的VR游戲， 對照組的被試進行了相同周期和頻率的現實環境中的身體訓練和認知訓練。干預后， 僅實驗組在MoCA量表的評分上表現出顯著改善。另一項隨機對照研究中， 實驗組的MCI老年被試進行了非沉浸式VR皮劃艇訓練， 而對照組被試進行威廉姆斯屈伸訓練、側抬腿、俯臥抬腿等家庭鍛煉項目。6周干預后， 實驗組在MoCA量表和全科醫生認知功能評估量表（General Practitioner Assessment of Cognition， GPCOG）的評分上表現出明顯改善， 組間差異顯著（Choi amp; Lee， 2019）。類似的結果在一項針對身體虛弱與MCI并存被試的研究中也得到了印證：經過8周沉浸式VR聯合訓練， 實驗組被試的MoCA分數顯著改善， 而在現實環境中參與運動鍛煉并在平板電腦上進行認知訓練的對照組則沒有明顯變化（Kwan et al.， 2021）。

然而， 仍有部分研究表明， VR訓練并未對MCI老年人的整體認知功能產生顯著影響。這部分研究中， 進行為期4周～8周的沉浸式VR聯合訓練和加入游戲元素的沉浸式VR認知訓練的實驗組被試，在MMSE量表上僅表現出不顯著的輕微提升或無明顯變化（Kang et al.， 2021; Mrakic- Sposta et al.， 2018; Thapa et al.， 2020）。這可能是量表靈敏度差異導致的結果。根據相關研究， MoCA篩查MCI的性能優于MMSE， 前者具有更高的敏感度（Ciesielska et al.， 2016; Zhao et al.， 2023）， 能夠更加準確地反映認知功能的變化狀況。在針對MCI的研究中， 二者通常發揮不同的作用， 例如在Goumopoulos等人（2023）的研究中， MMSE僅在篩選被試過程中用來排除癡呆患者， MoCA用來評估干預前后MCI老年人認知功能的變化。亦有部分研究結果不同， 在對MCI老年人進行沉浸式或半沉浸式VR訓練后， 被試MMSE評分顯著提升（Amjad et al.， 2019; Yang et al.， 2022）。不過， 上述研究在VR訓練內容設計、干預時長與頻率、設備類型等方面均存在較大異質性， 因此， 是否因評估方式的靈敏度不同導致結果出現差異還需進一步探討。

2.2" 記憶

記憶損害是癡呆的典型特征（Ban et al.， 2020）， 作為癡呆前期狀態之一的MCI， 情景記憶是其患者受到影響的標志性領域， 并且在病理性衰老（例如阿爾茨海默病）中表現出急劇下降（Christman "et al.， 2020）。語言學習測試常被用來評估被試的情景記憶在VR干預前后的變化。在Park （2022）的研究中， 實驗組的MCI老年人進行了非沉浸式VR訓練， 在虛擬環境中完成獲得寶石和尋找位置等任務。結果顯示， 8周干預后， 被試的回憶（recall）測試得分表現出顯著提升， 而再認（recognition）部分則無明顯變化。Goumopoulos等人（2023）的研究獲得了類似的結果， 研究者依據被試的認知特點個性化地分配了10項認知任務， 對被試進行了為期12周的半沉浸式VR訓練。雷伊聽覺語言學習測試（Rey Auditory Verbal Learning Test， RAVLT）的結果表明， 與進行正常日常活動和護理的控制組相比， 實驗組被試的延遲回憶顯著改善， 再認測試部分出現輕微提升。

雖然部分研究中VR訓練對MCI老年人的記憶功能產生了積極影響， 但尚不能認為VR干預的效果優于其他干預方式。在一項隨機對照研究中， RAVLT測試和雷伊復雜圖形測驗（Rey- Osterrieth Complex Figure Test， RCFT）的結果均表示， 10周干預后， 進行半沉浸式VR運動訓練的MCI老年人并未表現出比使用電腦進行認知訓練的對照組更加顯著的改善（Park amp; Park， 2018）。另一項針對表現出MCI的腦卒中患者的研究中， 研究者使用了數字廣度測驗（Digit Span Test， DST）評估被試的即時記憶、短期記憶和工作記憶。6周干預后， 進行沉浸式VR認知訓練的實驗組與進行傳統認知訓練的對照組的記憶功能均有顯著改善， 但并未表現出組間差異（Liu et al.， 2022）。

目前， VR訓練對MCI老年人記憶功能的改善效果仍存在爭議。Yan等人（2022）的一項系統綜述顯示， 結合認知干預和身體鍛煉的VR聯合訓練并未對MCI老年人的記憶功能產生積極影響。此后的另一項元分析卻表明， VR訓練顯著改善了MCI老年人的短期記憶（Yu et al.， 2023）。由于研究方法上的不足， 部分研究無法得出有力的證據。例如在Maeng等人（2021）的研究中， 進行了為期4周的沉浸式VR超市購物訓練的MCI老年被試， 其言語記憶表現出了顯著改善， 然而， 由于未設置對照組， 無法排除其他因素對被試記憶功能的影響。而在另一項針對主觀認知下降或確診MCI的老年人的研究中， 被試的言語記憶的延遲回憶部分得分在經過4周沉浸式VR認知訓練后與基線相比顯著提高， 但由于實驗組和對照組都在干預期間服用預防癡呆的藥物， 且組間差異并不顯著， 同樣不能認定是VR訓練改善了被試的記憶功能（Kang et al.， 2021）。

2.3" 注意

注意力缺陷是阿爾茨海默病的重要表現， 且在疾病早期就已有外在表現（Perry et al.， 2000）。Zhu等人（2021）對使用VR訓練干預MCI或癡呆老年人認知功能的14項隨機對照研究進行了元分析， 結果表明VR訓練能夠顯著改善實驗組的注意力。后續的研究進一步證明了這一結論：Torpil等人（2021）將64名MCI老年人隨機分為兩組， 實驗組的被試進行了4種不同的非沉浸式VR認知訓練， 同時進行常規的認知康復， 對照組僅進行常規認知康復訓練。12周干預后， 實驗組和對照組的被試在LOTCA-G認知評估系統的注意力項目中均表現出顯著提升， 實驗組的改善程度顯著高于對照組。

對于VR干預的效果是否優于其他干預方式， 不同的研究結果差異較大。在Park和Park （2018）的一項隨機對照研究中， 實驗組的MCI老年被試進行了半沉浸式VR運動訓練， 對照組則使用計算機進行包含注意力、記憶力和視覺空間能力方面的認知訓練， 10周后兩組被試的注意力均有顯著提高， 實驗組的改善顯著高于對照組， 表明VR訓練產生了更好的改善效果。另一項針對卒中后MCI的老年人的研究中， 進行沉浸式VR認知訓練的實驗組和進行傳統認知訓練的對照組在注意力的改善上并沒有顯著差異（Liu et al.， 2022）。

現有關于注意功能的研究證據相對較少， 部分研究存在方法學上的不足。Zhu等人（2022）的一項研究中， 18名MCI老年人和13名癡呆患者接受了為期5周的沉浸式VR虛擬超市任務， 結果表明， 所有被試的注意力均有顯著改善， 然而， 研究者并未設置對照組來排除其他因素對因變量的影響。在Thapa等（2020）和Yang等（2022）的研究中， 研究者使用腦電技術觀察到MCI老年人與注意相關的大腦活動在沉浸式VR訓練后表現出的積極變化， 但缺少對應行為指標變化的證據。

2.4" 執行功能

執行功能（executive functions）是涉及計劃、啟動、監控和抑制目標導向行為的高級認知能力， 其核心功能包括抑制控制（inhibitory control）、工作記憶（working memory）和認知靈活性（cognitive flexibility） （Diamond， 2013）。連線測試（Trail Making Test， TMT）常用于檢測執行功能障礙， TMT包括A、B兩個子表， TMT-A主要測試視空間能力和書寫運動速度， TMT-B主要測試處理速度與認知靈活性（田金洲 等， 2016）。Amjad等人（2019）在研究中， 22名實驗組的MCI老年人進行了包含邏輯、記憶、反應、數學計算和身體活動5個領域的半沉浸式VR訓練， 干預時間為25分鐘～30分鐘， 每周5次， 持續6周。對照組在相同的時間段里進行正常關節活動和上肢、下肢伸展運動， 并確保受試者不進行任何電子游戲類活動。結果顯示， 實驗組TMT兩個子表的評分顯著降低， 表明MCI老年被試對應執行功能的提升。另外兩項進行了6周非沉浸式VR認知訓練和12周沉浸式VR認知訓練的隨機對照試驗也獲得了相同的結果（Park， Jung， amp; Lee， 2020; Goumopoulos et al.， 2023）。部分研究僅在子表A的結果中觀察到了顯著改善（Maeng et al.， 2021; Yang et al.， 2022）， 另一部分則僅觀察到子表B結果的改善（Liao et al.， 2019; Thapa et al.， 2020）。

部分研究采用DST中的數字倒背任務來檢驗工作記憶在干預前后的變化。Liu等人（2022）的一項隨機對照研究中， 進行了沉浸式VR認知訓練干預的實驗組和進行傳統認知訓練的對照組被試在6周干預后， 其DST表現相較于基線均有顯著改善， 但并沒有組間差異。而在Ji-Su Park等人（2020）的一項研究里， 實驗組的MCI老年被試進行了為期6周的VR認知運動康復， 對照組進行常規認知康復活動， 兩組被試的DST順序（forward）測試和逆序（backward）測試均有顯著的組內差異， 在順序測試中實驗組的改善效果優于對照組。另一項研究中， 研究者使用基于韓國傳統文化設計的沉浸式VR認知訓練對實驗組的MCI老年人進行了為期12周的干預， 對照組則保持正常的日常活動， 結果表明， 實驗組受試者的組內與組間DST表現均未出現顯著變化（Park et al.， 2020）。有研究表明， TMT-B也可以用來反映工作記憶的水平（Llinás-Reglá et al.， 2017）。Thapa等人（2020）發現， 在經過沉浸式VR認知訓練后， 實驗組的MCI老年人完成TMT-B的用時顯著縮短， 表明了工作記憶的改善， 進行健康教育項目的對照組被試用時則有所增加。

對于抑制控制， 有研究者對三項采用Stroop色詞測試的隨機對照研究進行了元分析， 結果顯示VR訓練并未改善MCI老年人的這一執行功能（Yu et al.， 2023）。在后續的一項隨機對照試驗中， 進行半沉浸式VR認知訓練的實驗組和進行計算機認知訓練的對照組在10周干預后， MCI老年人的stroop色詞測試表現均未出現顯著改善（Park amp; Park， 2018）， 與前人研究結果相同。另一項元分析結果表明， VR聯合干預對MCI老年人的執行功能沒有表現出顯著的積極影響（Yan et al.， 2022）。然而， 執行功能涉及計劃、決策和意志過程（Potmesilova et al.， 2023）， 是完成任務的綜合能力的體現， VR訓練能否提高MCI老年人的其他執行功能及生活中日常任務的表現， 還需要進行進一步研究。

3" VR訓練改善MCI老年人認知功能的影響因素

3.1" 沉浸程度

MCI老年人對虛擬環境的沉浸程度會影響VR訓練的效果。在高沉浸度的虛擬環境中， 使用者“身臨其境”的感受最為強烈。沉浸式虛擬環境可能會促進認知障礙患者的特定功能， 影響溝通、互動、動機、參與和對他人的積極態度（Garcia et al.， 2012）。相較于非沉浸式VR， 沉浸式VR能夠為使用者創造更強的存在感， 并提供更加準確的空間認知線索， 使得被試能夠更好地完成任務（Tseng amp; Giau， 2022）。沉浸式VR設備能夠為使用者提供更為豐富的感官體驗， 但這種體驗增加了發生暈屏癥（cybersickness）的可能性。暈屏癥是使用VR設備時最常出現的不適癥狀， 通常包括惡心、定向障礙和動眼神經癥狀（Kennedy et al.， 1993）。不適癥狀會導致投入度降低、安全性降低、任務中斷、不良事件及可持續性差等狀況， 降低VR訓練的效果。且有研究表明， 相較于健康老年人， MCI老年人出現定向障礙和惡心癥狀的比例更高（Maeng et al.， 2021）。在使用半沉浸式或非沉浸式VR設備時， 由于能夠同時感知現實世界， 暈屏癥狀得到了明顯減輕， 但較低的沉浸式體驗可能會限制其生態用途（Tuena et al， 2020）。

提高VR訓練中虛擬環境的沉浸程度， 可以增加使用者與環境的交互次數， 獲取更多可供處理的信息， 提高任務卷入度。此外， 模擬現實環境的VR訓練由于更加接近現實情景， 能夠盡可能還原現實生活中的體驗， 提高了訓練的生態效度， 進而提高VR訓練改善MCI老年人認知功能的效果。而降低沉浸程度， 則可以有效減少暈屏癥狀， 提高訓練的安全性和可持續性， 以提高訓練的完成度來提高訓練效果。同時， 非沉浸式虛擬環境可由計算機、平板電腦、電視投影或智能手機等設備提供， 更具成本效益， 增加了日常生活中MCI老年人自發、長期使用的可能性。

3.2" 訓練形式

認知訓練或身體訓練是針對MCI老年人認知功能的VR訓練的常見形式， VR聯合訓練是單一訓練形式的結合， 既包含認知任務， 又包含運動鍛煉， 其中串行訓練指兩類任務分開進行， 并行訓練則是兩類任務同時進行（Herold et al.， 2018）。Lauenroth等人（2016）的一項系統綜述表明， 在非虛擬環境的訓練干預中， 相較于單一的身體訓練或認知訓練， 聯合訓練能夠更有效地促進老年人或神經退行性疾病患者的認知功能。在虛擬環境中， 聯合訓練亦能有效改善MCI老年人的認知功能。Yan等人（2022）對使用VR聯合訓練影響MCI老年人認知的8項隨機對照研究進行了元分析， 結果表明VR聯合訓練可以顯著改善MCI老年人的整體認知功能， 且并行訓練效果優于串行效果。

與健康對照組相比， MCI患者的復雜日常活動能力存在缺陷， 與記憶和額葉執行功能相關的工具性日常活動能力（instrumental activities of daily living， IADL）受到的影響尤為嚴重（Ahn et al.， 2009）， 而認知訓練后執行功能和即時記憶的顯著改善并不能遷移到IADL （Bruderer-hofstetter et al.， 2018）， 認知能力和身體功能都對IADL至關重要（Burton et al.， 2018; Lai et al.， 2022）， 結合了認知與身體訓練的聯合干預通過更好地提升MCI老年人的IADL， 從而進一步促進相關認知功能的改善。并行式的VR聯合訓練通常需要被試調用注意、制定計劃、進行決策、完成身體活動與指令或提示的配合并維持意志， 這是一個連貫而具有邏輯的過程， 其形式更接近于日常生活中的各項活動， 這類訓練形式可以提高MCI老年人的復雜日常活動能力， 因此改善認知功能的效果相較于單一訓練形式更為顯著。然而， 由于老年人身體功能可能出現不同程度的衰退， 出于安全性的考慮， 部分MCI老年人并不適宜進行VR身體訓練。在進行單一的VR認知訓練時， 可以通過對個體相對薄弱的認知功能進行有針對性的強化訓練， 或設置接近日常活動的綜合性任務來提升VR訓練的效果。

3.3" 任務內容

現有研究中VR訓練的內容具有多樣化的特點。虛擬超市是一種常見的VR干預任務場景， 研究者通常會依據研究目的設置不同的任務。Mrakic-Sposta等人（2018）在實驗中進行了選擇正確路線和挑選正確商品的任務， 以訓練注意和視覺空間能力， 而Zhu等（2022）和Maeng等（2021）則在購物流程中加入清單回憶的任務以訓練記憶功能。MCI形成的原因多樣， 不同個體表現出的癥狀具有較大差異， 相較于統一設定的訓練內容， 個性化內容更有助于改善獨立個體的認知功能。Goumopoulos等人（2023）將針對記憶、注意、感知、執行功能等認知領域的獨立訓練進行組合與順序分配， 根據不同被試的認知弱點進行有針對性的訓練， 結果表明MCI老年人的各項認知功能均顯著改善， 且被試的自我效能感得分提升， 70%的被試認為訓練有效且改善了生活質量， 因而有意愿在實驗結束后繼續進行訓練。部分MCI患者存在主觀性的認知抱怨， 即對自己的認知功能衰退情況有一定感知和判斷， 因此， 當被試完成自己所期望的任務內容后， 可能會提高自我效能感， 有助于認知功能的改善。

在基于真實世界與活動創建的VR訓練中， 任務情境中細節的真實性、時效性及文化背景的匹配程度會直接影響任務的完成情況。依據神經錯配模型（neural mismatch model）， 當感覺信息與個體過去的經歷不一致時， 就會出現令人不愉快的癥狀（Reason， 1978）。例如在超市任務情境中， 商品包裝與被試過去購買的該商品包裝不匹配會導致部分被試在完成任務時出現困難（Mrakic- Sposta et al.， 2018）。在Faria等人（2016）的研究中， 認知出現損傷的卒中被試需要在包含超市、郵局、銀行、藥房以及連接各個地點的城市街道等幾種情境中完成認知任務， 這些地方展示了廣告牌和真實世界的產品， 以及當地人常見的商標， 這能夠幫助被試將VR世界與自身經歷過的現實世界聯系起來， 避免由于前后信息不一致導致的任務失敗。此外， 由于個體差異性， 基于真實世界活動設計的VR訓練內容在不符合被試的日常生活習慣時， 可能會使個體產生厭煩情緒， 從而降低干預效果。在Zhu等人（2022）的研究中， VR組共進行了5周干預， 每周3個訓練日， 每一個訓練日需要完成3次20分鐘～30分鐘的虛擬超市任務， 一名不喜歡在現實生活中購物的老年MCI被試認為干預過于頻繁。

部分VR訓練是在游戲訓練的基礎上進行設計的， 有研究表明， 加入游戲元素的VR干預相較于認知訓練項目對認知障礙的改善更為顯著（Moulaei et al.， 2024）， 而完成任務獲得的虛擬獎勵會增強使用者的動機（Ferreira-Brito et al.， 2019）。游戲元素帶來的趣味性會提高使用者的動機強度及任務卷入程度， 提高訓練完成度和可持續性。然而， 相較于傳統游戲訓練， VR訓練需要使用多種新型設備進行操作， 需要考慮MCI老年人本身的特點以及其技術接受度。Mondellini等人（2022）發現， 愛沙尼亞和意大利的MCI老年人對VR技術的接受度有顯著差異， 接受度更低的愛沙尼亞被試在體驗任務后， 繼續接受VR訓練的意愿明顯下降。有研究表明， MCI老年人在面對不熟悉的新技術時會產生焦慮情緒（Goumopoulos et al.， 2023）， 學習使用VR設備時需要更多的幫助（Hassandra et al.， 2021）， 即便經過培訓， 在正式訓練時仍需要專業人員協助（Maeng et al.， 2021）， 部分MCI老年人還在自我報告中表示不能夠完全理解培訓指令（Liu et al.， 2022）。當加入游戲元素的VR訓練內容的新異性較高時， 設備操作難度的提升、數量更多或復雜性更高的指令帶來的消極影響抵消了游戲訓練的趣味性優勢， 反而可能導致訓練效果降低。

4" VR訓練影響MCI老年人認知功能的神經機制

VR訓練提高MCI老年人認知功能的潛在機制尚不清楚， 目前可能的解釋是， 虛擬環境刺激和激活大腦代謝， 增加了腦血流量與神經遞質釋放（Carrieri et al.， 2016; You et al.， 2005）， 并重新激活和改善各種皮層功能（Carrieri et al.， 2016; García-Betances et al.， 2015）。現有研究主要使用腦電技術（electroencephalogram， EEG）、功能性近紅外光學成像（functional near-infrared spectroscopy， fNIRS）及功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）觀察VR訓練條件下MCI老年人的腦功能變化情況。在靜息狀態與任務狀態下， VR訓練都對MCI老年人認知功能相關的腦區活動產生了影響， 且與傳統的運動訓練和認知訓練表現出了現象和程度上的差異， 另外， 不同的VR內容會對老年人的腦功能產生不同的影響。分析靜息態與任務態下MCI老年人大腦功能的現象變化， 有助于初步探索VR訓練改善MCI老年人認知功能的神經機制。

4.1" VR訓練對靜息態腦功能的影響

靜息態是被試不執行任何任務的狀態（Xie "et al.， 2023）， 此時大腦使用大量能量進行自發活動， 局部區域的血流量和血氧水平發生變化（Lv et al.， 2018; Raimondo et al.， 2021）。靜息態腦功能成像常用來區分MCI患者和健康老年人， 以及尋找可能預測MCI轉化為阿爾茨海默癥的標志（Iliadou et al.， 2021）。

一項研究發現， 經過VR訓練后MCI老年人的與注意力相關的大腦活動發生了積極變化（Thapa et al.， 2020）。68名MCI老年人被隨機分配到進行沉浸式VR訓練和保健教育項目的實驗組及僅參與健康教育項目的對照組。實驗組共進行了24次VR認知訓練， 內容包括果汁制作、烏鴉射擊、煙花排序和物品記憶共四個系列的游戲。研究者在8周干預前后分別對被試進行了靜息態腦電測量， 從頻帶功率（band power）來看， 與基線水平相比， 實驗組被試的頂葉區和顳葉區周圍的θ波明顯減少。從功率比（power ratio）來看， 實驗組被試的大腦顳葉和頂葉區域的TBR （θ波與β波之比）降低。相關研究表明， θ波增加與認知障礙風險有關（Prichep et al.， 2006; Sánchez-Moguel et al.， 2017）， 而較高的TBR通常表明發生了走神現象， 與注意力減少相關（Van Son et al.， 2019）， 靜息狀態下的TBR與注意力控制、注意力恢復和認知處理能力呈負相關（Angelidis et al.， 2016; Clarke ""et al.， 2019; Putman et al.， 2014）。VR訓練后θ波的減少表示干預對被試的認知功能產生了積極影響， TBR的降低則表示注意力水平的提升。

Yang等人（2022）進一步比較了沉浸式VR訓練與傳統運動訓練后MCI老年人大腦頻帶功率、功率比和功能連接的差異。研究者在Thapa等人（2020）的研究基礎上， 增加了一個在現實環境中進行有氧和阻力運動的實驗組， 并在干預后進行了靜息態腦電測量。從頻帶功率來看， VR組被試的頂葉區θ波功率相較于運動組顯著降低， 這與神經心理學測試結果一致：符號數字替代測試（Symbol Digit Substitution Test， SDST）的結果顯示， VR組的改善顯著高于運動組; 雖然兩組的MMSE分數在干預后均表現出顯著的組內差異， 但只有VR干預組與進行保健教育項目的對照組間有顯著的組間差異; 而TMT-A測試僅VR組表現出顯著的組內差異。從功率比來看， 運動組的表現則優于VR組：數值上兩組的頂葉區TBR均低于對照組， 但僅運動組組間差異顯著; 運動組額葉區與顳葉區的DAR （δ波與α波之比）在干預后顯著低于VR組。有研究表明， DAR升高與認知障礙有關（Finnigan et al.， 2016）。此外， 研究者還發現， 與VR組相比， 干預后運動組的前額葉皮層、前扣帶皮層、顳葉和頂葉區域的靜息態α波連接連通性更高。一項綜述顯示， MCI患者的α波連通性較健康人群有所降低（Lejko et al.， 2020）， 這可能與膽堿功能障礙有關（Haense et al.， 2012）， α波由神經遞質（如乙酰膽堿）調節（Suffczynski "et al.， 2001）， 運動提高了乙酰膽堿的水平（Li et al.， 2022）， 而該研究采用的VR訓練并不包含身體訓練部分， 因此在運動干預后被試的α波連接連通性更高， 且DAR改善更為顯著。VR訓練能夠改善MCI老年人在靜息狀態下的與注意、認知控制能力相關的腦功能指標， 但在訓練內容只包含認知訓練時， 其對腦區間連通性的改善效果可能低于傳統運動干預。

除了腦電結果外， Kang等人（2021）還使用fMRI技術對主觀認知下降和確診MCI的老年被試的腦功能連接進行了研究。實驗組進行了為期4周每周兩次的沉浸式VR訓練， 內容包含注意、記憶、執行功能、計算能力、視覺空間定向等八種類型， 并加入了游戲元素。干預期間， 實驗組和對照組都服用了預防癡呆的藥物。fMRI的結果顯示， 視覺空間功能相關腦區中連通性顯著性增加的區域包括從右側視覺外側皮層到左側扣帶回、右側扣帶回、左側額極、左側額上回、扣帶回前部和白質， 以及從視覺內側皮層到右側島葉皮層、右側額極、右額葉皮層、右側尾狀核、左側尾狀核、右側丘腦、左側島葉皮層和白質。與對照組相比， VR組大腦皮層和白質區域功能連接的增加與雷伊復雜圖形測試中復制任務的改善有關， VR訓練改善了MCI老年人與視覺功能相關的腦區功能連接情況。

4.2" VR訓練對任務態腦功能的影響

任務態是指被試在執行記憶、識別以及運動等具體任務時的大腦狀態。研究發現， 認知訓練會使老年人任務狀態下腦功能發生重組， 表現為腦活動的減弱或增強， 或者既有減弱又有增強（霍麗娟 等， 2018）。

部分研究在實施認知訓練后， 觀察到老年人的大腦激活強度降低或激活范圍縮小（Brehmer "et al.， 2011; Vermeij et al.， 2017）， VR訓練后MCI老年人的大腦也觀察到了類似現象。在Liao等人（2020）的研究中， 實驗組的MCI老年人接受了沉浸式VR聯合訓練， 對照組的被試則進行現實環境中的身體訓練和認知訓練。經過12周干預后， 研究者采用16通道fNIRS設備， 在被試進行MoCA量表評估時對其大腦激活進行測量。結果顯示， 實驗組被試在完成MoCA量表時通道7、通道13、左側前額葉、右側前額葉和雙側前額葉激活顯著降低， 對照組被試僅通道10和右側前額葉激活顯著降低。研究者認為， 訓練后大腦激活的減少可以視為干預引起的神經效率提高。神經元加工效率提高后， 執行同樣的任務時只需要更少的神經元參與， 代表更高效的神經表征和更精準的神經環路（Brehmer et al.， 2011）。結合神經任務認知表現來看， VR訓練組被試的整體認知功能、執行功能、即時記憶、延遲記憶和工具性日常活動能力有顯著提升， 而對照組僅執行功能和即時記憶評分有所改善， 對照組被試的腦區激活減弱部分亦少于實驗組， 可以進一步證明非虛擬環境中的認知與體能訓練能夠改善MCI老年人的認知功能， 但效果不如VR訓練顯著。

部分研究發現認知訓練會導致被試局部腦區激活增強。代償模型（compensatory model）認為， 衰老的大腦通過增加特定區域的激活和增加額外的大腦網絡來維持最佳的認知功能（Lustig et al.， 2009）， 在老年MCI患者中可以觀察到類似的現象。Belleville等人（2011）通過fMRI技術發現， MCI老年人在接受非虛擬環境下的記憶訓練后額葉、顳葉和頂葉等腦區的激活區域增加， 其中既包括訓練前已經激活的區域， 還包括訓練后新增的替代區域。維持最佳記憶功能除了依賴于特定區域的激活增加， 也依賴于新激活的大腦區域（Cabeza， 2002; Reuter-Lorenz， 2002; Stern et al.， 2005）。而在VR訓練條件下， 同樣觀察到了腦區激活水平的增加。Tian等人（2023）在一項前后測實驗中， 使用18通道近紅外光譜儀采樣裝置對進行單次VR游戲的老年MCI被試進行靜息態和任務態采樣。17名被試進行了10分鐘的VR游戲“Beat Saber”， 游戲設置了相似的音樂和相同的難度。任務結束時， 研究者以完成狀態作為分類標準， 將被試分為完成任務組（6人）和未完成任務組（11人）。研究者分析了被試的左側前額葉、右側前額葉、左側枕葉、右側枕葉、左側運動區和右側感覺運動區共六個腦區， 其中兩組的ROL腦區和LOL腦區的差異有統計學意義， 未完成任務組被試在靜息狀態和任務狀態下的腦區激活水平較高。基于代償模型的觀點， 未完成任務組被試需要更強的大腦激活水平來維持其認知功能。然而， 該研究并未設置非VR干預的任務對照組， 尚不能確定這種激活水平的差異是否由VR訓練本身引起。

此外， 不同虛擬環境的設置會影響認知功能障礙人群的大腦激活程度及全腦連通性。Qu等人（2023）在靜息狀態以及城市環境和自然環境兩種VR任務條件下， 使用fNIRS設備對老年被試的大腦激活狀況進行了測量。小波振幅（wavelet amplitude， WA）的結果顯示， VR干預主要對認知障礙人群的右運動皮質和右枕葉產生了影響：進行VR干預后， 被試右運動皮質的WA在兩種VR條件下均顯著降低， 而右枕葉的WA在VR自然環境中則顯著升高。VR干預還增強了全腦連接， 且大部分為雙向信息連接， 自然環境任務對大腦網絡連通性的影響比城市環境任務更為顯著。總體結果表明， VR自然環境對大腦的刺激高于城市環境， 這一發現對VR訓練任務態下認知障礙老年群體腦功能變化的細節進行了補充， 并對日后VR訓練內容的設計提供了新的思路。

5 "問題與展望

VR訓練能夠對MCI老年人的各項認知功能產生積極影響， 目前， 這種干預手段正在全球范圍內普及。然而， VR訓練的效益水平、不同因素對干預效果的影響機制以及量效關系均未厘清， 干預結束后追蹤報告較少， 難以確定其長期效應。現有研究僅關注了VR訓練對MCI老年人腦功能的影響， 欠缺對大腦結構及其他神經生理活動變化的探究， 神經機制的探討尚待進一步深化與完善。

5.1" 明確干預差異， 優化VR訓練

VR訓練改善MCI老年人認知功能的效果是否等同或優于傳統環境下的干預手段， 目前的研究結果還存在較大爭議。對于整體認知功能， 已有實證研究表明VR訓練效果優于其他訓練方式， 其中兩項沉浸式VR聯合訓練效果優于傳統聯合訓練（Kwan et al.， 2021; Liao et al.， 2020）， 一項非沉浸式VR運動訓練效果優于傳統運動訓練（Choi amp; Lee， 2019）。對于記憶， 兩項研究中均獲得了等效的改善效果， 其中Park和Park（2018）采用了半沉浸式VR運動訓練與使用電腦進行的認知訓練， Liu等人（2022）采用了沉浸式VR認知訓練和傳統認知訓練。對于注意， 不同的研究差異較大， 上述關于記憶的兩項研究中， 前者VR組被試的注意改善顯著高于對照組， 后者兩組間則沒有顯著差異。對于執行功能， 已有研究同樣出現了較大差異， Amjad等人（2019）使用了半沉浸式VR聯合訓練與傳統場景下的運動訓練進行對照， 結果僅VR組的執行功能改善顯著。另一項研究比較了非沉浸式VR認知訓練與常規認知康復訓練對MCI老年人的影響， 兩組的執行功能均有改善， VR組的改善優于在現實環境中進行桌面活動的對照組（Park， Jung， amp; Lee， 2020）。在Liu等人（2022）的研究中， 沉浸式VR認知訓練干預和傳統認知訓練對被試的工作記憶產生了相同的改善。值得注意的是， 部分研究中虛擬環境和傳統環境中進行的任務形式差異較大， 如認知訓練與運動訓練（Park amp; Park， 2018）， 或聯合訓練與運動訓練（Amjad et al.， 2019）。另有研究表明， 自然虛擬環境和城市虛擬環境對老年人大腦網絡連通性的影響有差異， 自然虛擬環境對大腦的刺激高于城市環境（Qu et al.， 2023）。因此， VR訓練與傳統干預效果的差異是來自干預形式還是干預環境尚需進一步確認。

虛擬環境可以基于真實場景拍攝制作， 或使用建模技術創建， 內容既可以來源于真實世界， 也可能完全出于想象與假設， 具有較大的靈活性。相對于現實環境， 它的優點在于可控性更高， 例如可以快速調整天氣、光線、聲音、場景內的陳設等， 缺點在于除視覺和聽覺外的其他感覺信息的欠缺， 活動范圍、幅度及靈活性更加受限。VR訓練是基于虛擬環境的特性進行設計的， 這種環境本身的劣勢， 以及任務設計的不合理、完成度低、被試技術接受度差等都可能是造成部分研究中VR訓練并沒有產生理想效果的原因。另外， 傳統場景中提升干預效果的方法， 或可以應用在VR訓練中。有研究表明， 至少包含有氧運動、阻力運動或平衡訓練其中兩項的運動內容在保護MCI患者的整體認知和執行功能方面最為有效（Huang et al.， 2022）。那么， 在設計VR運動訓練時設置多組分運動， 其效果可能優于單一種類的運動。當然， 證明這一點還需合理設置對照組以排除其他因素的影響。

5.2" 界定沉浸程度， 揭示影響機制

現有研究顯示， VR訓練的沉浸程度對MCI老年人的特定認知功能的改善效果有所差異， 但這種差異產生的原因尚不明確。Yu等人（2023）對使用VR訓練改善MCI老年人認知的14項隨機對照研究進行了元分析， 結果表明半沉浸式VR干預對被試認知靈活性的改善效果顯著優于完全沉浸式和非沉浸式VR干預。對于其他認知功能， 三種VR類型間雖然未表現出顯著差異， 但仍表現出一定傾向：使用非沉浸式VR的亞組在整體認知功能和短期記憶方面獲得了更多的顯著改善結果， 完全沉浸式VR則在對注意的干預效果上有輕微優勢。另一項元分析的亞組分析表明， 相較于沉浸式VR， 半沉浸式VR對MCI老年人的整體認知功能改善效果更顯著（邊繼萍 等， 2023）。

結果的差異性可能來自對VR設備類型分類的不同， 例如兩項研究都納入的一篇隨機對照實驗（Park， Jung， amp; Lee， 2020）， 研究者使用的MOTOCOG系統的硬件部分包括觸摸屏顯示器和門把手、按鈕、方向盤等裝置， 被試在2D屏幕顯示的虛擬環境中進行駕駛、做飯和購物等活動。Yu等人（2023）將其歸類為非沉浸式VR， 而邊繼萍等人則將其歸類為半沉浸式VR。對于同樣使用2D屏幕的兩類VR設備， 在定義上尚缺乏明確統一的標準。改變VR訓練的沉浸程度， 可以對任務的卷入度、生態效度和被試體驗感產生影響， 進而影響訓練的效果。而對于特定的認知功能， 這一因素對干預效果的影響機制仍需做進一步的研究。

5.3" 厘清量效關系， 探索長期效應

目前， 研究者通常進行4周～12周的長期VR訓練， 每周進行2次～3次干預， 每次持續15分鐘～ 100分鐘不等， 而VR干預的強度目前尚無明確定義。現有研究的局限主要在于樣本量較小、長期效應不明、未考慮性別差異等， 對于量效關系的研究， 目前亦處于匱乏狀態， 僅Amjad等人（2019）對單次和長期（30次）半沉浸式VR聯合訓練產生的效果進行了對比：6周干預后， MCI老年被試閉眼狀態和睜眼狀態下的δ波、θ波的變化幅度均高于單次干預， 單次干預中未出現變化的β2 波在長期干預后也表現出顯著增強; 此外， 長期干預后兩種狀態下腦電圖復雜性均高于單次干預。有研究表明， 阿爾茨海默癥患者的腦電圖比年齡匹配的對照組更加規律， 復雜性下降（Monllor et al.， 2021）。長期干預對MCI老年人的大腦產生了更顯著的影響， 但其最大效應劑量仍未確定。

現有研究鮮有對VR訓練的長期效應的報告。Mirelman等人（2016）使用非沉浸式VR運動訓練對老年被試進行了為期6周的干預， 實驗組被試的執行功能和注意有所改善， 程度略低于進行傳統環境中運動訓練的對照組， 在統計學上這種效果基本持平。干預結束并間隔6個月后研究者對被試進行了隨訪， 結果表明， VR組和對照組的兩項認知功能表現均高于訓練結束后的表現， 且VR組的執行功能表現低于對照組， 注意表現高于對照組。然而， 該研究納入的282名老年被試中， 僅43人為MCI患者， 且未對該亞組進行獨立分析， 這種長期效應對MCI老年人是否適用還無法做出判斷。未來， 研究者應擴大樣本來源并采取適當的抽樣方法， 確保樣本的代表性和可推廣性， 同時優化實驗設計， 考慮試驗周期與強度， 厘清VR訓練改善MCI老年人認知功能的量效關系， 并在干預結束后進行持續追蹤和隨訪， 以確定VR訓練的長期效應。

5.4" 探索大腦變化， 揭示神經機制

fMRI、EEG、fNIRS等腦影像技術和電生理技術被用來觀察與MCI老年人認知功能改善相關的腦區激活和腦區間連通性等客觀指標。靜息態下， 沉浸式VR認知訓練對MCI老年人注意相關的大腦活動產生了積極影響， 并改善了其與視覺功能相關的腦區功能連接情況。腦電結果表明， VR組被試的頂葉區和顳葉區周圍的θ波明顯減少， TBR降低（Thapa et al.， 2020）。在部分研究中， 這種改善顯著高于進行傳統運動訓練的對照組， 但對照組的部分功率比（DAR與TBR）改善顯著高于VR組， 且對照組在干預后前額葉皮層、前扣帶皮層、顳葉和頂葉區域的靜息態α波連接連通性更高（Yang et al.， 2022）。功能磁共振結果顯示， 沉浸式VR認知訓練改善了MCI老年人與視覺功能相關的腦區功能連接情況（Kang et al.， 2021）。任務態下， 沉浸式VR聯合訓練后被試的通道7、通道13、左側前額葉、右側前額葉和雙側前額葉激活顯著降低， 干預提高了神經效率， 而進行傳統環境下聯合訓練的對照組被試僅通道10和右側前額葉激活顯著降低， 表明VR訓練對腦功能的改善效果可能優于傳統干預（Liao et al.， 2020）。然而， 由于現有研究中納入的被試數量較少， 且VR訓練的沉浸程度、任務形式與內容、時長和頻率等差異較大， 其結論的可推廣性仍有限制， 在將研究結果應用于更廣泛的情境時需要更加謹慎。

現有關于神經科學的研究結果主要聚焦于靜息狀態下的大腦功能變化， 任務態下大腦活動的研究結果相對不足， 而VR訓練對MCI老年人大腦結構及其他神經生理活動的影響尚不明確。有研究表明， 認知訓練可以增加老年人大腦皮層灰質體積， 并增強白質神經纖維連接（霍麗娟 等， 2018）， VR訓練是否可以對MCI老年人的大腦產生類似的影響仍待證實。未來的研究中， 應當擴大樣本規模， 繼續探索VR訓練對MCI老年人大腦功能的影響， 并對大腦結構及其他神經生理活動情況進行觀察與分析， 以期進一步揭示VR訓練影響MCI老年人認知功能的神經機制。

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Effects of VR training on cognitive function in older adults with mild cognitive impairment and its neural mechanisms

CHANG Siqin¹， HUANG Chen¹， DAI Yuanfu¹， JIANG Changhao²

（¹ School of Kinesiology and Health， Capital University of Physical Education and Sports， Beijing 100191， China）

（² The Center of Neuroscience and Sports， Capital University of Physical Education and Sports， Beijing 100191， China）

Abstract： Elderly people with mild cognitive impairment （MCI） is a high-risk group for dementia. However， their brains retain structural and functional plasticity. Virtual reality （VR） based training can help delay the progression of MCI towards dementia. VR training can improve the overall cognitive function， especially memory， attention， and executive function of MCI elderly people. The intervention effect is influenced by factors such as immersion level， training form， and task content. VR training improves the efficiency of neural activity in elderly MCI patients， which is manifested by changes in the activation level of relevant brain regions and an increase connectivity between brain regions. VR training is expected to become a supplementary method for cognitive improvement in elderly MCI patients. Future research should clarify the dose-effect relationship of VR intervention， focus on its long-term effects， and further explore the potential mechanisms of VR training to improve cognitive function in elderly MCI patients.

Keywords： virtual reality， mild cognitive impairment， elderly， cognitive function， brain function

* 國家自然科學基金項目（No.32371132）; 國家蛋白中心（北京）?北大分中心課題（No.KF-202102）; 首都體育學院體育醫學工程學新興交叉學科平臺研究項目（No.20230929）。

通信作者：蔣長好， E-mail： jiangchanghao@cupes.edu.cn