游戏神经科学-----玩游戏是怎样改变了你的大脑

发表于2016-11-21
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出租车司机在强化学习了伦敦地图一年之后,被发现他们大脑中负责储存记忆和分析空间位置的区域体检明显变大了。我们在玩儿游戏的时候,有时候也需要记住不少地图、时间花的可不比司机学习地图短多少,那游戏对我们的大脑又有怎样的影响呢?

最早有记录的电子游戏井字棋游戏(Tic-Tac-Toe)诞生于1952年。 自二十世纪70年代开始,电子游戏开始以商业娱乐媒体的形式被引入,并逐渐发展,如今已经与电影业竞争成为世界上最赚钱的娱乐产业之一。在过去的半个世纪里,游戏早已经不只是简单的井字棋游戏了。很多游戏不仅仅需要的是思考能力,更多的是实时搜索、快速反应、手指运动,甚至快速计算的能力。不仅如此,玩家在游戏上花的时间简直令人瞠目结舌。
美国视动公司数据显示,在《使命召唤:黑暗行动》(Call of Duty-Black Ops)发布的一个月内,其全球累积时间就已经达到了六万八千年。我们花这么多时间玩游戏,大脑会因此而改变吗?为了客观地回答这个问题,我们查询了大量的文献,其中大多数研究使用了最先进的大脑成像技术以及严谨的认知实验。本系列中,我们将对201661日前发表的主要发现做一个总结。

玩游戏损害视力?

大多数人应该都被父母叨叨过:还玩游戏,你的眼都快瞎了。这似乎已经成为了一个既定的事实,长时间的对着电脑显示屏玩电子游戏会引起视力下降。然而事实真的是这样吗?
最直观的方法,就是让玩游戏的和不玩游戏的人玩家一起来测测视力。 要注意的是,人的视觉能力不仅仅只是「是不是近视」,而包括很多其他的视觉认知能力,譬如说与视觉相关的注意力、在视野中发现变化的敏捷性等等。这里并非偷换概念,而是的确如此;成为近视往往是用眼不卫生的结果,而非单纯地因为「看显示屏两小时」。 譬如说,在生活中,看东西需要能够识别边角清晰的物体,也要能识别边界模糊不清的物体。后面这种能力,在学术上被称为「对比敏感度」(contrast sensitivity。这个能力实际上在日常生活中非常重要,譬如当大雾天开车时,司机需要能够快速地识别模糊不清的事物。在临床上测试视觉中,这也是一个很重要的视觉测试,在弱视、青光眼、老年黄斑病、视神经疾病的早期发现中有重要角色,甚至还运用在中风和阿尔兹海默症的检测之中。然而,这种视觉能力,长久以来都被认为非常难以恢复或提高的。
2009
年,脑科学家发现(Li et al., 2009) ,动作类电子游戏能够使这个能力有显著提升。科学家们找了一些平时不玩动作类电子游戏的人(这些人提前做了视觉测试)来玩儿《使命召唤2》(FPS第一人称射击游戏)。按照常理,要是每周花个五个小时,十个小时甚至十五个小时来玩游戏,视觉能力应该会变差,然而结果却让人瞠目结舌——这些每周花大量时间玩动作类游戏的人视力不但没有下降,反而比不玩游戏的人视力更好。而特别重要的是,他们的对比敏感度有了明显提高。这不仅对于玩家来说可以长吁一口气,在临床上也将会有相关的应用。这个研究当年被发在了科学界顶级刊目《自然》的子刊神经科学上面,是一个很有影响力的发现。 这个研究的负责人是来自美国罗彻斯特大学的Daphne Bavelie教授,除了这个实验以外,她还做了和游戏对大脑的影响有关的一系列研究,其中有不少研究都刊登在科研领域的顶级刊目,如Nature,其研究的影响力可见一斑。在这个章节中,大多数的研究都是来自Bavelie教授的实验室。仔细想想,其实这并不令人惊讶。动作类游戏(如《使命召唤》)非常考验玩家的观察能力,玩家需要时刻观察周围的环境,分辨是否有危险,并分析如何在混乱的战斗占据优势赢得胜利。这样的玩法,实际上训练了玩家的视觉敏感度,让他们能在杂乱的背景中迅速分辨出细节,甚至能分辨不同的灰度。简而言之,当大雾天开车时,动作电子游戏玩家更容易发现危险,很大程度上降低了危险系数。换言之,虽然打游戏并非为了能在开车更安全,但这样的能力提升,说不定能在不知不觉中帮助到自己,甚至在关键时刻还能救自己一命。

1FPS类游戏《使命召唤》


视力有缺陷的病人,甚至也可以通过玩游戏,来锻炼这些能力,从而「补偿」因自身的「硬件欠佳」的情况,达到「视觉能力提升」的效果。

玩游戏容易分心?

继「玩游戏损害视力」之后,电子游戏再一次为「注意力分散」背锅了。如果说电子游戏容易导致人注意力分散,我们需要先确定如何去测量注意力。当大脑在做「烧脑费脑」的事情的时候,注意力越集中,完成的速度就会越快。

那我们来做一个小游戏。你的面前有个显示屏幕,屏幕上有很多无规律随机运动的小球。小球都是蓝色的。在游戏开始前,小球都是静止的,有三个小球被标志成黄色,然后你需要记住这三个小黄球的位置。记住之后,黄色的标识被移除,所有的小球都是蓝色的。当小球开始运动时,你要同时跟踪刚才记住的三个小球的运动轨迹。过了一小会儿,所有的小球会停止运动,这时,我会问你,现在屏幕上的蓝色小球,哪三个是刚才你记住的?是不是有点难?这是心理学和神经科学上非常常见的一个经典的多目标追踪任务(Multiple Object Tracking)。要想完成这样的任务,「玩家」必须保证注意力高度集中,才能记住这些小球并且长时间地同时追踪它们。

Bavelie教授发现(Green and Bavelier, 2003),不玩游戏的玩家,能够追踪的数目大致为3~4个,然而动作类游戏玩家却能追踪5~6。大脑中有三个区域负责注意力:顶叶、额叶和前扣带回。其中,顶叶负责控制注意力,额叶负责保持注意力,而前扣带回负责分配、调节注意力,并同时处理矛盾。用核磁共振成像扫描专业的动作类游戏玩家的大脑,就会发现,他们大脑的这三个区域比非玩家的更有效率,能够良好的控制和保持注意力,协调注意矛盾。


2:大脑皮层侧面图

3:大脑皮层内侧切图

事实再一次挑战了我们的固有认知:动作类游戏在某种程度上能够帮助训练集中注意力!

 

玩游戏能一心二用?

开车时, 打电话是被禁止,因为开车是一件需要高度集中注意力的事情。开车时,我们不仅要熟练地掌握方向盘、灵活换挡、刹车,更重要的是,还需要观察路况,并随时针对路况调整策略,所以在开车的过程中,我们实际上在进行「多线程处理」(multitasking) 。进行多任务处理会占用大脑很多的认知资源(cognitivecapacity),而且,处理的任务越多,需要占用的资源越多,任务与任务之间切换花费的时间也越久。而且,这种切换能力还会随着衰老明显减弱:与年轻人相比,老年人更不擅长进行多任务处理。但到底减弱了多少呢?

在实验室里,我们可以精确地你在测量任务切换中,到底需要多长的时间。Bavelie教授和她的同事发现,在切换任务时,动作类游戏玩家所需要的时间明显少于非玩家。这是因为,当玩动作类游戏的时候,玩家不仅需要通过手柄或者键盘控制人物或者物体,还需要根据周围环境做出适时的判断。比如玩GTAGrandTheft Auto,侠盗飞车)的时候,玩家需要开车躲避警察的追捕,寻找掩体与警察对战,还得同时注意周围的情况,避免被爆头。

4GTA5 游戏宣传图

动作类游戏的人物设计和玩法本身就是一种高强度的多任务处理。玩家在玩的过程中,这种能力也得到了提升。

另一个非常有名的《自然》研究专门研究了这种游戏在老年人大脑上的影响,来自美国加州大学旧金山分校的Anguera等人(2013)设计了一个双重任务处理的小游戏。玩家在电脑的模拟程序中开车,同时对出现的信号做出反馈。他们发现经过一段时间的训练,老年人的多任务处理水平能够达到年轻人的程度,并保持六个月不下降。这也显示了,因衰老而减弱的认知能力,也是可以通过电子游戏来有效地提高的。重要的是,这些老年玩家也很享受这个训练过程!

到底什么是聪明呢?

一般来说,我们说一个人聪明,往往是指此人智力出众。什么是智力(Intelligence,或说智能)呢?字典给出的定义是:一种学习和应用知识和技能的能力。这是现在拥有的智商测试远远不能完整地测量的。科学上,比较公认的一个定义是:一种涵盖逻辑思考、计划、解决问题、抽象思考、理解复杂概念、迅速学习和执行能力的复合型能力(Deary, Penke, & Johnson, 2010)。另有一说,有人认为在日常生活和工作中,其实我们看一个人聪不聪明,其实主要还是在说这个人的执行功能(Executivefunction)。执行功能是指,在试图解决一些复杂的认知问题的过程中,你能够灵活动态地协调和控制各个不同的认知能力,以确保在整个解决问题的过程中保持「具有目的性」和「协调有序」这两个特点(Chan, Shum, Toulopoulou, & Chen, 2008)。譬如,大家通常觉得会玩密室逃脱和数学好的人特别聪明,可能是因为他们有很强的逻辑性思维,记性好,能够举一反三,不仅如此,他们能够灵活地协调这些能力,这就是执行功能。

 

玩游戏能够训练执行能力?

那么问题是,玩游戏能够训练人的执行能力吗?我们从执行能力的一个部分——根据环境来迅速做决策——来看看游戏对大脑的影响。脑成像研究为此提供了直观的证据。认知能力的提高往往与大脑的灰质变化有关。灰质(grey matter)是大脑和脊髓的重要组成部分,由神经系统的重要单位神经细胞和胶质细胞以及微血管组成。正如其名,它呈现灰色。大脑皮层就是典型的灰质,而这恰恰是大脑对信息进行深入处理的区域。所以,认知能力的提高往往能在相关的大脑区域看到灰质体积的变化。

2014年,比利时和德国的科学家扫描了152名青少年游戏玩家的大脑,发现游戏玩的越多的孩子背外侧前额叶皮质(dorsolateral prefrontal cortex,缩写为DLPFC)和额叶眼动区(frontal eye fields,缩写为FEF)的灰质体积更大,并发现这两个区域的灰质体积与孩子每周玩游戏的时间成正相关(Kühn et al., 2014)。而这两个区域所位于的前额皮质,恰是负责执行能力的中心,特别是DLPFC这个区域被认为和推理和决策有密切关系(Krawczyk, 2002)

1:灰质厚度与每周玩游戏所花时间成正相关的大脑区域(显著性p< 0.01):背外侧前额叶皮质(DLPFC) 和额页眼动区(FEF)原图来自论文(Kühn et al., 2014)

 

甚至还有发现,左右两侧大脑的DLPFC似乎有分工:右半脑的DLPFC似乎与需要提取记忆的决策反应有关,而左半脑的DLPFC负责和依据当下环境中的信息而做出的决定相关(Fuster,2000; Levy & Goldman-Rakic, 2000; Petrides & Milner, 1982)。而在2014年的这个脑成像研究中,他们发现左DLPFC有明显的灰质增多,这恰好反映了玩电子游戏过程中,需要玩家根据环境迅速做合理决策的这一特点。而另一个FEF区域,在决策方面的研究中也被多次发现在「判断并采取行动」这个认知过程中起着重要作用(Heekeren, Marrett, Ruff, Bandettini, & Ungerleider, 2006)。综合起来,这些结果都展现了电子游戏中所带来的决策相关训练是有效的,甚至在大脑结构上有显著的影响。

 

玩游戏能提高记忆力?

大脑的实时分析能力是有限的,但每一刻通过不同的感知所收集到的感知信息却非常多。以语言为例,在对话中,每个词的声音转瞬即逝,无论是讲者还是听者,我们都需要非常精确地记住刚才和现在说了什么(包括发音、音调、声音的顺序等等),才能够处理这些连续的声音,并理解它们的语义。这种记忆就叫工作记忆(working memory)。过一会儿,我就无法精确地复述我刚刚所说的话,因为工作记忆就好像是大脑的一个信息缓冲区,为了能够更经济地使用大脑的分析能力,就不能把这个缓冲区建得太大是吧?而十年后,再回忆起这一段对话,我大概只能记起一些片段了,那已经转化为长期记忆。当然工作记忆不局限于语言,我们看电影,做计算题,推理等等也都依赖着工作记忆。

让我们来做个小游戏,现在我给你呈现一些卡片,卡片上写着一些数字,当我呈现当前卡片时,你需要告诉我上一张卡片的数字是多少。是不是很容易?如果我们增加难度呢,你能告诉我这张卡片之前的第二张是什么数字吗?第三张呢?这个是用来检测工作记忆的经典心理学实验任务,完成这个任务必须使用工作记忆并且连续实行这项任务。而且这个任务可以通过改变「这个数字前的第N个数字是什么」来改变任务的难度。这个任务的学术名字叫做n-back任务。2008年有人用这个任务比较了动作游戏玩家和非游戏玩家的工作记忆能力,相比之下,动作游戏玩家做这项记忆任务时反应更快(Boot, Kramer, Simons, Fabiani, & Gratton, 2008)。而在另一个实验中,科学家发现,动作游戏玩家不仅在速度上比非玩家反应更快,精确度也更胜一筹(Colzato, van den Wildenberg, Zmigrod, & Hommel, 2013)

在上一章中我们提到了多任务追踪(MOT)跟注意力有关系,注意力集中,能够让我们尽可能地关注到各个四散的动态小球,其实那个追踪任务也和工作记忆有关系。集中注意力追踪这些小球之前,我们要先记住这些小球都是什么,能够关注的小球越多,工作记忆的容量相对也就越大。在这个任务上,动作游戏玩家也是有明显的优势的(Green & Bavelier, 2006)。这说明了玩家在工作记忆上得到的优势是并非只针对某个特定的实验任务(记数字或者是跟踪小球),而是有一定的普遍性的。

看来,打动作类电子游戏还有增强记忆力的功效。如果发现爸妈的记忆力开始退化,赶紧召唤他们不要再偷菜了,来和你们一起玩守望先锋吧!

提到健忘症和阿兹海默症,不得不提最近由英国伦敦大学学院和东英吉利大学共同开发的一个游戏「Sea Hero Quest」(非官方翻译:海洋英雄之旅)。游戏通过记录人们在3D环境中的导航状况,为健忘症和阿兹海默症的科学研究提供了前所未有地庞大的数据基础,这在整个神经疾病学术圈都非常轰动,因为「收集数据」是研究中最花时间,最花经费的步骤,而这个小小游戏在提醒大众对疾病的意识的同时,还能为科研提供珍贵的数据。


图 2: 「Sea Hero Quest」游戏的截图。在这个游戏中,玩家需要先记住地图,然后凭着记忆,行着小船到达多个目的地。

话又说回来,人的导航能力和阿兹海默症又有什么关系呢?因为导航能力是阿兹海默病人最先失去的一部分功能,俗话说就是变成了路盲。这也是为什么阿兹海默病人往往很容易走丢的原因。

 

玩游戏能够治路盲?

路盲和朋友的日常。——路盲:“喂,我迷路了。”——朋友:“你怎么又丢了,在哪儿呢?”——路盲:“不知道。”——朋友:“周围有什么标志物吗?前面有什么”——路盲:“路。”——朋友:“后面呢?”——路盲:“路。”——朋友:“……旁边呢?”——路盲:“树……”

 

我相信路盲们最大的感受就是不敢出门,怕丢,拿着导航都分不清东南西北。但,玩游戏真的能够成为让路盲变身路神的「绝世秘籍」吗?

前面提到的Bavelier教授发现:与不玩游戏的人相比,经常玩游戏的人在游戏中表现出更好的空间感和导航能力(Bavelier et al., 2011)。遗憾的是,至今为止,这种空间导航能力似乎还不能直接迁移到现实生活中(这个问题我们将会在第三章细聊)。但是,以电子游戏为基础总结出的学习方式,却已经在训练盲人的空间导航能力上发挥了重大作用。

要训练盲人在没有视觉信号的情况下学会导航,如果要在车水马龙的真实街上接受训练,稍有不慎可能会造成危险,所以在虚拟世界中训练就成了一个很好的选择。不仅如此,在虚拟世界中,还有机会与现实生活中难以实现的情景进行互动,譬如模拟一些少见的危机情况,通过这种亲身体验的方式来训练并掌握相关的应对能力(Connors, Chrastil, Sánchez, & Merabet, 2014)

比如,为了帮助盲人提高空间感知能力,来自哈佛医学院的研究人员采用「声音环境模拟器(Audio-based Environment SimulatorAbES)」来帮助盲人进行自我探索,并在模拟器中形成空间认知地图(图3)。通过语音反馈,盲人玩家在有障碍的虚拟房间寻找宝物,并要避免走错房间被怪物吃掉。研究人员设置了三种情况:情况一,在学习了地形之后,盲人玩家通过和模拟器的互动完成任务;情况二,学习地形之后盲人玩家在视力正常的人的陪同下互动完成任务;情况三,学习地形之后,盲人玩家独自完成任务,中途没有反馈。结果发现,有互动的学习方式学习效果显著(也就是情况一和情况二),玩家能够把获得的空间信息转化到自己的空间认知能力中。而没有反馈的学习方式效果比较差。但是,通过自己探索,借助模拟器完成任务的玩家,能够找到多条路线,并寻找到最优路线。而通过视力正常的人陪同完成任务的盲人玩家却没有得到这一能力。显而易见,依靠自我探索的游戏学习法,能够锻炼人的学习能力,提高高级认知功能(Connors et al., 2014)


3:虚拟游戏学习法。原图来自论文(Connors et al.,2014)

 

这个关于盲人的实验,不仅仅在临床复健中有参考价值,更有趣的是,它也给我们带来一点小小的启示:适度地玩电子游戏不仅在一定程度上训练了人的认知功能,而且还在潜移默化中引导我们去自我探索和学习。

至今为止,在各大学术刊物上刊登的「靠谱」的研究中,动作类游戏对大脑的训练效果是最明显的。当然,这也有可能是顶级科研杂志的通病——「不是牛逼的结果你还好意思登出来?」——所带来的某种局限。

另一方面,虽然有这么多权威的实验结果,但不得不承认,电子游戏对大脑的训练有多大的实际应用价值还尚待明确,而且训练结果是否能够迁移,也存在大量的争议。针对这些问题,我们将在接下来的几个章节进行专题讨论。但这里列出的这一小部分前沿的脑科学研究希望能够打破一些大家对电子游戏的偏见和误解。

 

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