治疗弱视，也用上了AR技术

人类双眼在功能上是不平衡的。早在公元前330年，古希腊哲学家亚里士多德就对此做过描述。到1673年，意大利比萨大学的物理学家和生理学家博雷利进一步提出存在视锐度的眼优势。此后在19世纪、20世纪里，关于眼优势的个体差异的研究逐渐兴起。人们也逐渐认识到了大脑和眼睛共同作用产生视觉，眼睛将光聚焦到位于眼球后部的视网膜，然后视网膜细胞会激发出神经信号，这些信号通过视神经传至大脑的视觉皮层；当一只眼睛的输入信号较差时，大脑中来自于另一只眼的信号就变得更加主导；而弱视就是一种反映了极端不平衡的眼优势的视觉疾病，指的是一只眼的视力由于这只眼不能恰当地同大脑一起工作而下降，以至于单眼或双眼矫正视力仍达不到0.8，两眼视力差大于等于两行，因此弱视也被称为懒惰眼(lazy eye)。弱视在人群中发病率较高，约占总人口的3%。

弱视通常在幼年发生，主要由视觉剥夺，双眼交互作用以及视觉皮层上接受来自于两眼输入信号的神经元之间的抑制导致。对于弱视的治疗，传统方法是把好眼遮盖，锻炼孩子使用弱眼。这种方法难免对孩子的心理造成一些负担，例如在学校里可能会经常遇到如下图所示的周围人的歧视，孩子的心理阴影面积可想而知。并且对孩子的好眼的过度遮盖也可能导致强弱眼视力翻转，造成所谓的遮盖性弱视。除了单眼遮盖，也有人采用药物来治疗儿童弱视，方法是将1滴阿托品药物滴到强眼，暂时性地造成该眼视力模糊，这样儿童就会使用患有弱视的眼，特别是在关注近距离的物体时。然而，用阿托品有一个缺点：阿托品滴液有副作用，它可能会在眼内产生囊肿结节。另外，单眼遮盖这类办法对于成年人的作用不大。所以神经科学领域长久以来认为成年人的眼优势已经相当稳定，重塑的希望不大。

绘图：心理所周雯研究组叶玉婷

令人欣慰的是，自博雷利之后，同样来自于意大利比萨的 Lunghi 等人通过双眼竞争任务测量单眼遮盖之后的效果，发现成年人的眼优势仍具有可塑性(Lunghi, Burr & Morrone, 2011)。这无疑激发了视觉以及神经科学领域的科研人员的动力去尝试各种改善弱视患者视力的方法。

其中较早被尝试的是知觉学习的办法，起初是让患者在实验室遮盖住好眼，让他们使用弱眼看电脑屏幕上的刺激图形，持续多天地完成一定的视觉训练任务，以达到提升弱视眼视力的目的。不过知觉学习的效果常常局限于训练时所使用的视觉刺激的属性(Sagi, 2011)，这就不利于将训练效果扩大到日常生活中的任何视觉对象。并且，患者往往需要前往指定的研究机构，在有经验的科研人员的指导下接受训练。这就造成了时间、交通、人力上的成本。另一种近几年兴起的办法是在知觉学习方法基础上改良的，即通过玩视频游戏的办法来治疗弱视。可是，玩游戏的同时还是不能干其他事情；玩视频游戏也可能会限制受试人群的范围，毕竟不是所有人都喜爱玩游戏，尤其是成年人；当然，玩视频游戏可能会更受未成年患者的青睐，可是未成年人较易对视频游戏成瘾。游戏成瘾的危害，相信现在的很多家长深有体会，看看下图中正在听课的孩子脑子里在想什么就不难理解了。实际上，科学界早有报导视频游戏成瘾对于认知控制可能造成损伤(Sun, Ma, Bao, Chen & Zhang, 2008)，这类由视频游戏成瘾造成的负面问题最近也已经得到了研究者的广泛关注(Rossé, 2012; Suissa, 2014; Gentile, Bailey, Bavelier et al., 2017;Xu, Chen & Adelman, 2017)。

绘图：心理所周雯研究组叶玉婷

为了克服诸多治疗弱视的方法的缺陷，找到一个无需用药、不担心遮盖性弱视、不用前往研究机构、不会成瘾、不局限于训练刺激属性、不会耽误工作学习和生活的理想的解决办法，中国科学院行为科学重点实验室鲍敏研究组开发出一种新颖的可穿戴的增强现实（augmented-reality，简作AR）技术，使人们有望在日常活动中治疗弱视和重塑双眼平衡。

鲍敏研究员开发的这套系统，广义上可以认为是一种特殊的 AR 技术，与常见 AR 技术的区别在于，它并没有在摄像头拍摄的画面上叠加环境中并不存在的物体（例如箭头提示或者网页窗口等），而是把原始摄像头拍摄画面中的某些视觉属性经过特殊的算法改变后再呈现给佩戴者。所以佩戴者看到的画面就是经过某种改变后的周围的真实世界。因此该系统也被称为更改现实系统。系统会实时呈现双眼互补的摄像头视频，因此通过该装备，佩戴者可以在与周围环境实时交互的同时，被迫协作使用两只眼观看世界。

使用 AR 技术可以克服传统实验室训练的一些不足，例如该方法通过计算机程序电子化地调节真实环境的视觉输入，使视觉适应训练得以整合到日常生活中。这样病人就不需要花费时间到指定研究机构去治疗，也不会因为长时间观看特定实验刺激造成他们无法观看现实场景而影响学习、工作和生活。

更令人称赞的是，该训练的效果持续时间可以超过两个月，每天3小时连续几天的适应训练可以使两眼变得更为平衡，且这一效果在适应训练结束后的两个月继续增强，而这一阶段中被试已经处于日常生活的视觉环境。在第一个实验中，这一双眼再平衡效果的测量和跟踪是基于双眼竞争任务。实验结果显示，在5天的训练阶段，双眼不平衡的正常成年人知觉到来自强眼和弱眼的光栅时长比例逐渐接近；而在告别适应训练后的跟踪后测阶段，两眼知觉到的时长比例随着时间的推移变得更加接近；此效应在适应训练结束后的两个月达到最大值，在四个月时仍然可以被观测到。

他们还对18名弱视患者使用了类似的训练流程，结果患者的弱视眼视力改善了1.5行（logMAR视力表）。此外，该研究还在另外一组被试上检验了除双眼竞争以外的6种不同视觉任务的成绩受适应训练的影响。结果发现这种适应训练显著改变了包括离眼运动一致性、视锐度、艾宾浩斯错觉和眼间相位整合任务的成绩。

该研究发现的训练结束后两个月里，被试虽然生活在正常视觉环境，眼优势却继续变得更加平衡的现象尚属首次报导，这将吸引神经科学领域的研究者进一步探明其背后的机理；此外，该方法整合了国际热点的增强现实技术，响应中科院“三个面向”的方针，在未来有着很好的应用前景。未来对国内外临床眼科、神经科学、可穿戴设备及传感器等相关研究领域都将带来重要的推动作用和影响。

该研究工作在与心理所蒋毅研究员、北京同仁眼科医院刘丽娟医生、美国明尼苏达大学 Stephen Engel 教授的合作下完成，研究成果已在线发表于心理学领域的顶级实证性杂志 Psychological Science 。这是该团队继2014年在美国视觉科学协会（VisionSciences Society）年会报告中首次宣布该方法的基本原理和预实验结果后，将此工作在国际刊物上正式发表；也是我国科学家在世界上首次把视觉可塑性的基础研究与 AR 技术的开发应用相结合的突破性成果。

该研究受国家自然科学基金（31371030, 31571112, 和31525011）和中国科学院重点部署项目（特支项目，KSZD-EW-TZ-003和QYZDB-SSW-SMC030）的支持。

来源：中国科学院心理研究所