Three-Dimensional Gait Characteristics in Adolescents with Idiopathic Scoliosis in an Immersive Virtual Environment

身体的内部 GPS 与虚拟迷宫

想象一下，你的身体拥有一个超级智能的内部 GPS。这个系统不仅能告诉你你在地图上的位置，它还会不断向你的大脑“低语”，告诉你你的脚、膝盖和臀部在空间中的位置，即使在你闭上眼睛时也是如此。这被称为本体感觉（proprioception）。正是由于这种感觉，你才能在走廊里行走而不撞到墙壁或被自己的鞋带绊倒。你的大脑会将各种信号——你看到的、肌肉感受到的以及内耳关于平衡的信息——混合在一起，从而让你能够平稳地移动。

有时，这个 GPS 会出现一点“小故障”。一种被称为**青少年特发性脊柱侧弯（AIS）的疾病会影响青少年的脊柱，导致他们的背部向侧面弯曲。虽然我们知道这改变了他们脊柱的外观，但科学家们长期以来一直想知道，这是否也干扰了他们的内部 GPS。如果大脑接收到的身体信号不正确，它可能会难以协调行走，导致绊倒、跌倒或仅仅是感到笨拙。为了测试这一点，研究人员需要一种“欺骗”GPS 的方法。他们需要一种让眼睛所见的与身体所感的并不完全匹配的情况，从而迫使大脑更加努力地工作。这就是沉浸式虚拟环境（IVE）**发挥作用的地方。把它想象成戴上一个高科技头显，让你置身于一个虚构的世界中。这就像是在一个电子游戏中行走，地板看起来很真实，但感觉却略有不同，为你的大脑制造了一个需要解决的谜题。

虚拟步行测试

在这项研究中，来自山西大学和当地医院的一个研究团队决定测试这个想法。他们收集了 20 名患有脊柱侧弯的青少年和 20 名同龄、同体型的健康青少年。他们并没有让大家在普通的走廊里行走，而是将所有人送入一个由巨型屏幕投影出的 180 度巨大虚拟走廊中。青少年们走在一个配备了压力传感器的特制跑步机上，同时穿着一件覆盖着反光标记点的套装，以便摄像头可以追踪他们关节的每一个细微动作。

目标是观察在这样一个混乱的虚拟世界中，脊柱侧弯组“故障”的 GPS 是否会比在普通房间里表现得更加明显。研究人员测量了一切：他们走路的速度、步长、臀部和膝盖弯曲的程度，以及他们肌肉推动地面时的精确力量。

数据揭示了什么

结果就像是找到了问题的“指纹”。在虚拟环境中行走时，患有脊校柱侧弯的青少年与健康的同龄人相比，其运动方式有所不同，而且这些差异非常具体。

首先，脊柱侧弯组的行走速度明显较慢。他们的平均速度为 0.73 米/秒，而健康组为 0.89 米秒/秒。他们的步幅也较短。根据身高调整后，他们的步长为 0.22 m/m（即身高的 22%），而对照组为 0.26 m/m。他们在每一步结束时，双脚同时着地的时长（“末端双支撑”阶段）也较短，这表明他们稳定性较差，或者可能是在急于让双脚再次移动。

但真正的故事在于他们身体的力学机制。健康的青少年动作流畅、协调。然而，脊柱侧弯组的表现似乎是在补偿稳定性的缺失。

• 臀部与骨盆： 患有脊柱侧弯的青少年在行走时，骨盆（臀骨）的左右旋转幅度更大。他们的骨盆旋转范围为 9.06°，而健康组仅旋转约 5.21°。这就像是由于核心感觉不稳定，他们的臀部在通过额外的摆动来维持平衡。
• 腿部： 他们的踝关节和膝关节弯曲程度较小。踝关节的活动范围（即脚尖上下摆动的幅度）较小，且髋部前后摆动的幅度也不大。
• 肌肉力量： 这是“故障”体现得最明显的地方。他们臀部和踝关节周围的肌肉推动力量较小。例如，向后推动髋部的力量（伸展）较低，且驱动膝盖弯曲的力量也减少了。这就像一辆汽车的引擎正在运转，但变速箱却没有像应有的那样有力地换挡。

“压力测试”理论

作者认为，虚拟环境充当了身体内部 GPS 的一次“压力测试”。在普通的房间里，大脑可能可以通过依赖熟悉的周围环境来掩盖其混乱感。但在虚拟世界中，视觉场景与在跑步机上行走的体感存在冲突，大脑必须更加努力地融合这些信号。

对于健康的青少年来说，这只是一场有趣的视频游戏体验。但对于患有脊柱侧弯的青少年来说，视觉与体感之间的冲突暴露了他们大脑处理身体信号时的隐藏弱点。研究表明，他们的大脑可能难以正确权衡来自肌肉和关节的信息，导致他们采取一种更“安全”、更谨慎的行走方式——速度较慢、步幅较短且伴有额外的臀部摆动——以避免跌倒。

这意味着什么（以及并不意味着什么）

论文得出结论，这种虚拟环境是一个强大的新工具。它表明，IVE 可以揭示在医生诊室进行常规行走时可能会被忽略的本体感觉（身体感知）问题。研究发现的具体模式——如额外的骨盆旋转和较弱的肌肉推动力——可以成为未来治疗的目标，例如利用虚拟现实游戏来帮助这些青少年重新训练大脑和身体，从而更自信地行走。

然而，研究人员也谨慎地指出，他们并未声称已经完全解开了这个谜团。他们指出，这是一个针对相对较小样本群体的“快照式”研究。他们没有在本次实验中将虚拟行走与现实行走进行并排对比，因此无法确切说明有多少差异是由疾病本身引起的，又有多少是由虚拟环境引起的。他们也没有直接测量肌肉的电活动，因此关于为何推动力较弱的准确原因目前仍是一个假设。

简而言之，这项研究表明，在虚拟世界中行走是发现青少年脊柱侧弯隐藏平衡问题的绝佳方式。它就像一束特殊的灯光，让其内部 GPS 中隐形的裂痕变得清晰可见，为理解并帮助他们更好地行走提供了新的路径。