电子科大教授:游戏是如何让大脑“变聪明”的?

作者:林偕,腾云特约作者 腾云 2020-06-29 1.4k
上周,美国食品药品管理局批准了第一款能进入医生处方的电子游戏,用于8-12岁儿童注意缺陷多动障碍(ADHD)的治疗。

这颠覆了许多人对游戏的认知。游戏为什么能具备这样的功效?

其实早在七年前,电子科技大学神经工程与神经数据实验室便开始了对电子游戏的一系列研究。

结果表明,借助前沿的脑科学研究技术,游戏有潜力成为一种大脑能力评估、选拔和训练的新型工具,在人才选拔、人员培训和脑疾病治疗等领域起到非常独特的作用。



2008年,大西洋月刊发表了一篇非常著名的文章:谷歌正在让我们变得更傻吗(Is Google Making Us Stupid?)?

作者Nicholas Carr是一个贪婪的阅读者。在没用谷歌之前,他能够沉浸在一本书里几个小时。但使用谷歌后,还没读完一本书的两三页,他已心思跳跃,手痒的想找其他事情做。

Nicholas Carr描述了互联网时代一个典型人类大脑所经历的变化。他对这个话题如此痴迷,以至于在2010年推出专著:《浅薄:互联网正在对我们的大脑做什么?》(The Shallows: What the Internet Is Doing to Our Brains)。这本书的中译本名称是“互联网如何毒化了我们的电脑”。中英对比,趣味盎然。

Nicholas Carr其实抛出了一个互联网时代的元命题。要解答这个宏大复杂的元命题,离开脑科学的研究或许都无法让人信服。




2013年,成都电子科技大学的宫殿坤博士,还在为英雄联盟游戏兴奋不已。

作为一个研究认知神经学的游戏迷,宫殿坤看到了电子游戏作为一种新兴的脑-机交互媒介,正在通过其多媒体、高强度的输入输出形式,强烈地塑造着人类的大脑。最为重要的是,这种塑造可能是正面的。

彼时,国内学界对游戏的研究,还主要局限与游戏有关的成瘾等负面行为层面。而在同一时期,国际上已经有关于电子游戏的类型丰富的研究成果,例如在2009年,美国罗彻斯特大学Daphne Bavelie教授对《使命召唤2》的研究表明这类游戏能够显著提升视觉能力和敏感度。该研究被刊登在当年的《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)上。近年来,随着国内游戏产业的发展,关于电子游戏的研究角度才逐渐丰富和多元起来。

宫殿坤很早便看到了游戏的另一面。

2013年前后,恰逢磁共振研究技术趋于成熟,成都电子科大成为国内最先成体系的从脑科学角度去研究电子游戏的高校。超越传统心理学的研究范式,宫殿坤看到了从脑科学突破游戏研究的曙光——

如果大脑能被科学地直接测量,那为什么还只要观察行为?

从2013年发表第一篇关于游戏脑机制研究的国际论文开始,在七年间,宫殿坤采用脑电波、磁共振等最先进的脑科学研究仪器,凭借其所在团队发展的国际前沿的“多模脑信息融合分析”研究技术,突破了游戏研究领域的单一行为心理学范式,先后对不同层次的游戏玩家开展了系列实验研究。系列研究成果发表在多家国际知名的心理学、神经科学专业期刊,引发了国内外媒体的广泛关注。

他的系列研究表明,一些特殊类型的电子游戏,能够调用和增强大脑的注意、工作记忆和感觉运动等认知功能。

据此,宫殿坤认为借助前沿的脑科学研究技术,电子游戏有潜力成为一种大脑能力评估、选拔和训练的新型工具,在人才选拔、人员培训和脑疾病治疗等领域起到非常独特的作用。

腾云 对身兼玩家和游戏研究者双重身份的成都电子科技大学的宫殿坤教授进行了专访。




腾云:宫老师好,请您先介绍一下这一系列研究。

▌宫殿坤:从脑科学角度看来,电子游戏的本质是一种提供了丰富虚拟刺激和复杂反应需求的脑-机交互媒介。与其他脑-机交互形式一样,频繁的使用电子游戏也会导致效应的累积,进而影响到大脑的功能和结构。只不过这种影响的大小和好坏是因时而异、因事而异和因人而异。

随着智能设备和互联网技术的高速发展,电子游戏在全世界范围已经达到了惊人的普及程度。所以,电子游戏在客观上已经成为影响大脑发展和健康的新型因素。

但科学界有关电子游戏的研究却长期局限于行为科学领域,其他科学领域特别是在脑科学领域研究还比较欠缺。这也是我开展这些研究的背景。

在研究中,我们应用了前沿的脑科学研究技术。

例如,我们的一项研究结果发现,长期的动作类电子游戏经验能够对大脑中局部和全局两个尺度的白质神经网络产生增强作用。而这些区域和网络主要用于支持更好的选择性注意、执行控制和感觉运动功能。这项研究第一次阐明了动作类电子游戏增强认知功能的白质神经网络机制。

简单地说,我们的系列研究结果表明了动作类电子游戏具有调用和增强注意、工作记忆和感觉运动等多种大脑能力的作用。

这为大脑可塑性理论提供了来自新媒介的重要证据。同时意味着需要对电子游戏影响大脑发展和健康的机制开展深入研究,从而推动其在教育和医疗康复等领域的转化应用。




腾云:电子游戏对于教育和医疗的应用,许多游戏制作人也对此表现出浓厚感兴趣。从脑科学的角度看来,如何理解?

▌宫殿坤:脑疾病已经逐渐成为全球医疗负担中最大的一项。现有的干预措施已经难以满足需求,急需一种使用方便、成本低廉的干预工具。而且,随着智能时代的到来,社会生产对人自身的能力需求也正从“体力为主,脑力为辅”逐渐向“脑力为主,体力为辅”发生革命性的改变。

电子游戏所具有的一些独特优势使之有潜力成为干预脑疾病和脑发展的新型工具,并为认识脑可塑性机制和开展人工智能研究提供独特视角。

电子游戏在医疗领域潜在的应用,举例来说,用体感游戏康复中风患者的大脑功能:中风以后病人胳膊不能动了,单纯“掰胳膊”的效果非常有限。因为偏瘫不能动的现象主要是脑功能损伤所致,而“掰胳膊”是一种被动运动,并非是直接作用在脑损伤区域,而且住院和治疗的花费也很高。

这个时候,体感运动游戏就很好解决了这个问题,患者在游戏过程是主动运动,也有兴趣,可以在家就进行康复,同时成本又很低。




电子游戏在教育领域的应用的点就更多了。

首先电子游戏可以成为一个脑力挑战系统。通过这个系统可以把大脑中的各种极限给激发出来。也就是说,有了这个挑战系统,再结合前沿的脑科学研究技术,就可以实现对候选人大脑的客观测量和精准评估。

所以电子游戏有潜力成为智能社会人才脑力评估和选拔的独特工具。

但传统的人才选拔技术是怎样的?传统的人才选拔通常包括知识选拔和能力选拔两部分,所采用的形式通常也有两种:试卷和面谈。因此传统人才选拔方法本质上都是基于从外显行为。所以从本质上来讲,传统人才选拔是一种从外显行为间接测量大脑能力的技术,无法直接、准确的测量大脑能力。

如果我们借助于电子游戏这个独特的脑-机交互载体,我们就有机会实现生态化和全面的大脑测量了。即通过电子游戏去联合行为和大脑两个层面,去发展人才评估和选拔的2.0版本技术。

其实无论是高考,还是企业招聘,我们现在遇到的很多问题,都不是传统的教学和人力资源体系可以解决的,许多问题的根源在于脑科学。这也是为什么我国和全世界对于脑科学研究都非常重视的原因。

随着智能社会的到来,社会需要个体完成的工作日益复杂,而这些工作又是以脑力为核心。在这个背景下,如何借助脑科学技术把电子游戏这种独特的载体转为人才评估和选拔的工具是我正在努力的研究方向。


电子游戏+脑科学=面向下一代的人才选训技术革命

腾云:您最初是怎么决定做电子游戏相关研究的?

▌宫殿坤:我从小学就开始玩红白机游戏了。只不过在上学的时候,我就只是个纯粹的玩家。

读博士之后,前两年我做的也是传统的认知心理学研究,研究领域小众且偏理论化。那个时候,英雄联盟在高校流行起来。从脑科学专业的角度出发,我觉得它和以前的游戏模式相比,有了巨大的改变,可能蕴含着非常有趣的研究内容。

现在看来,它的游戏设计师未必是有意识的按照脑科学的规律去设计的,但它在客观上的确遵循了脑科学规律,这可能是它取得成功的重要原因之一。

腾云:从脑科学的角度来看,英雄联盟的进步在哪里?

▌宫殿坤:从红白机游戏到英雄联盟,游戏机制经历了许多进步。而以英雄联盟为代表的MOBA类游戏在游戏机制具有一些独特的优点:

第一点,英雄联盟这类游戏在大脑和计算机之间建立了高强度的交互需求。这些高强度的需求能够在很短时间内调用大脑的各种功能,平常所说的认知、情感、意志和行为都会被很高程度的调用。



电子游戏脑机制的初步模型

第二点,英雄联盟这类游戏中包含了很多认知挑战任务,这些认知挑战能够对大脑产生丰富的增强作用,例如增强知觉、注意、记忆和感觉运动功能等。例如,一个简单的例子,游戏中的补兵(又称补刀)就是感觉运动功能的典型体现——要控制英雄及时地去完成最后一下攻击。

再复杂一点的例子:“打团”就是一个综合认知挑战的体现。

例如,你需要利用分散和集中注意力,观察敌人在什么位置、做什么,己方队友在什么位置、做什么等;需要利用长时记忆记住敌人和队友使用的英雄具有哪些主动和被动技能,以及游戏地图内有哪些战略资源和地形可以利用等。

再例如,你需要利用工作记忆去分析当前敌我双方的英雄有那些技能可用、哪些处于冷却状态,以便采取针对性战术;你还需要利用执行功能去规划和调整不同团战的目标,并监督和控制团战过程,以便最终实现既定的战略方针;最后,你还需要调节自己的情绪和动机处于一个合适的水平,以便能够促进自己的表现,而不是反过头来削弱自己的表现。



电子游戏心理机制的初步模型

第三点,英雄联盟这类游戏本身所具有的娱乐属性,以及伴有的各种各样荣誉机制,如段位、称号以及成就等,会源源不断产生正反馈,激励玩家们不断克服各种困难和挑战。

第四点,英雄联盟这类游戏所具有的多媒体属性,在游戏过程中,会垄断甚至独占用户的所有感觉通道和认知资源。

如果把人类大脑看作是一台计算机,英雄联盟这类游戏的使用过程几乎把CPU、内存和硬盘资源全部占用了。这意味着玩家的游戏过程本质上是在进行高强度和专注的大脑训练,因此其对大脑的可塑性影响就可能非常大。




第五点,经历了多个世代的技术更替和持续不断的优化之后,当前的游戏设计技术已能够很好的适应用户的心理和生理特点,使得类似英雄联盟这样成功的电子游戏都具有较高的人机功效学效能。

第六点,英雄联盟这类游戏都采用“动态多人匹配”的游戏机制。

这种机制的核心是控制敌我双方玩家的能力水平,使得游戏胜率的期望值控制在50%左右。这种机制令玩家只能不断进步才能不断胜利,否则只能获得随机水平的胜利。与“情感体验类”游戏不同,这种机制创造了“持续”提高且“自适应”的“最近发展区”,从而具有较好的学习效果。

其“持续”体现在,即便玩家能力不断提高,游戏系统依靠海量用户基数也始终能为之匹配到旗鼓相当的“陪练”对手。其“自适应”体现在,如果玩家的能力没有提高,那么其面对的对手也“没有提高”,如果其提高的很快,那么其面对的新对手的能力仍然与之旗鼓相当(“最近发展区”概念源自维果斯基的著名心理发展理论,通俗的讲是指学习者处于该区域时具有最佳的学习效果,“最近发展区”会随学习者的能力上升而变化,因此需要不断调整教学内容)。

总之,针对每个玩家的不同能力,这种机制提供了一个“持续且自适应”的“最近发展区”。而这其实是学习心理学一直尝试解决的难题。此外,这种机制匹配的对手都是真人,不像AI陪练,非常被容易被找出“弱点”。因此“动态多人匹配”机制可能是增强人大脑能力最好的一种游戏机制。




腾云:与MOBA类游戏相比,其他类型游戏——如第一人称射击游戏对人脑的影响如何?

▌宫殿坤:第一人称射击游戏不是我专门的研究领域,但关于它的研究其实非常多。第一人称射击类游戏的特点决定了,它是以注意力和感觉运动能力为核心的,可能对于这两类能力的增强效果特别突出。虽然射击游戏也有团队合作,但可能只是次要方面,主要方面可能还是搜索目标、瞬间完成瞄准开枪动作。

MOBA游戏在注意力、感觉运动能力这些维度上也许对人脑的促进比不上第一人称射击游戏,但却在工作记忆、游戏策略等其他方面要更强。

所以,如果为两类游戏对大脑能力的促进作用绘制两个“雷达图”,第一人称射击游戏可能在雷达图某几个尖峰表现更加突出,而MOBA游戏是个比较均匀的多边形。这可能就是它们在脑机制上的区别。




腾云:您的研究中有一个很有趣的论点:电子游戏能够增强执行网络和默认模式网络(Default Mode Network,简称DMN网络)之间的功能协调。应该怎么理解?

▌宫殿坤:内生性神经网络,其中两个与任务完成相关,分别是Salience Networks(简称SN网络),负责识别新异刺激和调节认知资源等,Central Executive Networks,(简称CEN网络)负责完成基于空间和语义信息的计算分析。第三个神经网络就是DMN,它通常与任务完成无关,但与“自我”密切相关。

大量的前人研究表明,DMN主要负责思考自我、回忆过去和规划未来等加工。简单的说,我们做事的时候,SN和CEN网络就在活跃;当我们发呆休息的时候,两个做事的网络也就休息了,而DMN此时却活跃了。

在以往的研究中,大家一般认为任务相关和任务无关的神经网络是一种拮抗关系。因为两类网络共用一个有限的认知资源,一方调用多就必然导致另一方可用资源少。但是我们的研究发现,两种网络非但没有表现出“你强我就弱”的拮抗性,反而出现了共同增强的现象,这一点和以往的研究非常不同。

这意味着什么呢?我的猜测是,当玩家玩游戏的时候,他把“自我”的一些信息投射到了他所控制的英雄上面去了。即虽然玩家控制的是个游戏角色,但这些角色又包含了玩家“自我”的一部分。




腾云:在您的研究中,您指出特定的游戏可以修复认知损伤,用于教育、医疗实践。所以,对于这样的“电子游戏治疗”需要注意哪些问题?

▌宫殿坤:商业游戏不能直接用于治疗。尽管商业电子游戏中的一些元素被证明具有确切的大脑干预效果,但这类游戏通常还包含很多无效甚至有干扰的元素。在实际应用时需要开发专门的电子游戏以便能够消除上述这些无效和起干扰作用的元素。

电子游戏的本质是一种供娱乐的脑机交互媒介。长时间的使用电子游戏必然导致大脑发生可塑性变化,只不过这种变化会因不同个体、不同游戏内容和不同游戏强度而表现出或积极或消极,或很强或很弱的属性。

因此,“电子游戏治疗”也会因人而异、因事而异。例如,MOBA类游戏也许能够很好的训练年轻人的大脑,但对一个80岁的老年人也许就不合适了,因为如此高的游戏强度就像在让他们的大脑进行百米冲刺训练,有可能累坏他们。

总之,在开展“电子游戏治疗”之前还需要系统地开展转化应用研究。


电子游戏与神经工程联姻对双方均受益良多


腾云:从书籍、广播、电视到电子游戏,不同的媒介的出现都曾对人带来过影响。从您的专业领域来看,电子游戏与其他媒介相比有什么不同?

▌宫殿坤:那些主观上想要改变人类大脑的媒介,往往效果不好,例如心理学有专门研究大脑训练的领域,这个领域有非常长久的历史。但有趣的是,无心插柳柳成荫,电子游戏最初不是为了训练大脑准备的,但客观上,当前一些成功的电子游戏恰是脑科学理论运用最好的一个载体。

在当下的信息社会,没有哪个媒介能够替代游戏,没有哪个媒介能和大脑发生这么高强度的交互。读书、看网页、看电影……和游戏相比,它们的交互远远不是一个量级。

我喜欢举一个例子:MOBA游戏就像是象棋和篮球的结合,脑子要快、手也要跟得上。在这个游戏中,你面对的是一个随时想要赢你的对手。如果再考虑到游戏内玩家可以随时组成不同人数的小队,以及可采取的战略和战术组合几乎是无穷无尽的,那么这类游戏对大脑产生的负荷强度超乎想象。

随着新型电子计算设备的不断涌现(例如,虚拟现实和增强现实),在未来很长一段时间内电子游戏应该是与人类大脑交互最密切,需要耗费脑力资源最多的媒介。换句话说,电子游戏的独特地位是很难撼动的,未来只可能是它自己革自己的命。



腾云:12年前有一篇著名的文章提出疑问:谷歌让人变愚蠢了吗?从您的角度看来,互联网时代以来,人类的行为、心理模式,是否发生了一些永久性的不可逆的变化?

▌宫殿坤:有一个研究很有意思,大概意思是说,在互联网广泛使用以后,大家都不记具体的东西了,而更多地去记忆“如何搜索某样东西”。比如,小孩子突然肚子不舒服,家长应该怎么办?现在很多人可能都不会去记具体该怎么办了,更可能会记忆到“哪个网上”找个帖子。

这是一个很有趣的变化。以往我们没有计算机,只有物质世界。现在有了计算机,相当于有了一个虚拟世界。

我们需要接受这样一个事实:在虚拟世界中,你在改造它,它也在改造你。这就是为什么我会认为电子游戏会通过影响人类的大脑而影响世界和改变未来。
本期玩家:宫殿坤,电子科技大学神经工程与神经数据实验室副教授

作者:林偕,腾云特约作者
来源:腾云
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