特刊|专访Miguel Nicolelis:我们可能高估了算法对大脑的解释能力

脑机新声 2026-10-03 09:45
特刊|专访Miguel Nicolelis:我们可能高估了算法对大脑的解释能力图1

2026年10月,《Nature Neuroscience》推出神经技术专题,并集中刊发了六位脑机接口与神经技术领域代表性科学家的深度访谈。

他们分别是长期推动言语脑机接口临床转化的 Edward Chang,研究高性能言语神经假体的 Sergey Stavisky,提出并长期研究后顶叶皮层“意图编码”的 Richard Andersen,持续推动运动与触觉双向脑机接口的 Jennifer Collinger,脑脊接口和脊髓刺激领域代表性研究者 Grégoire Courtine,以及脑机接口早期奠基者之一 Miguel Nicolelis。

六个人的研究方向横跨言语脑机接口、意图解码、双向感觉反馈、脑脊接口、神经康复和神经群体编码,基本覆盖了当前脑机接口最重要的几条技术主线。

行业关注的问题已经明显向更深一层推进。过去几年,脑机接口最容易被看到的是一系列能力突破:控制光标、控制机械臂、恢复语言、重建触觉、重新站立和行走。

今天,更关键的问题开始浮出水面。植入设备能稳定工作多久,神经信号长期漂移如何处理,人工感觉如何真正进入闭环,脑机接口怎样从少数实验案例进入医院常规应用,AI又会如何改变神经信号解码和大规模神经数据研究。

这些问题,正在逐渐决定脑机接口下一阶段真正的技术边界和临床边界。国庆期间,脑机新声将连续整理这一专题中的六篇访谈。方便国内产业、科研和临床从业者阅读。

这组六篇访谈真正值得放在一起看的地方,是六位科学家并没有给出完全一致的答案。

有人持续推动侵入式接口向更高性能发展,有人更加看重非侵入技术和神经调控的临床价值;有人把AI和大规模神经数据视为下一阶段的重要变量,也有人反复提醒,生物相容性、长期可靠性和规模化应用依然是绕不开的问题。

这些不同判断放在一起,构成了2026年脑机接口一个很真实的行业截面。

特刊|专访Miguel Nicolelis:我们可能高估了算法对大脑的解释能力图2

Miguel Nicolelis 是杜克大学荣休教授,也是 Edmond and Lily Safra 国际神经科学研究所创始人。他是脑机接口早期代表性研究者之一。访谈讨论神经群体编码、脑机接口、生物相容性、神经康复以及科学如何参与社会发展。

问:在大多数研究人员都还在研究单个神经元的年代,是什么让你相信必须从神经元群体和网络层面理解大脑?

原因来自我去美国以后遇到的一个人。

他几乎是当时唯一一个也希望同时记录大量神经元的人,就是我的导师和好朋友John Chapin。

这个想法实际上在我博士期间已经形成。

我当时建立了一个大约包含40个与心血管控制相关脑区的矩阵,然后使用图论方法分析这些脑区之间可能存在的连接路径。

本质上是一个旅行商问题。

我永远不会忘记,当时我在巴西实验室里用一组Apple II计算机运行这些模拟。

然后巴西进入狂欢节。

那几天全国几乎都会停下来,人也会完全消失。

我原本以为,等我几天以后回来,计算应该已经完成,我可以直接拿到结果写论文。

结果我回来以后,机器还在不断打印新的路径。

可能路径实在太多,计算似乎永远不会结束。

这件事情让我真正意识到,只在一个位置一次记录一个神经元,不可能真正理解大脑。

必须研究网络。

当时我还不知道怎样才能同时记录大量神经元,但我已经非常确定必须这样做。

我给美国实验室写了58封信,收到56封拒信。

只有John Chapin真正理解我希望实现什么。

加入他的实验室以后,我们自己开发电极、电子设备和外科手术方法。

真正开始记录以后,结果挑战了当时主流的单神经元观点。

我们看到,活动分布在广泛的神经元群体中。

脑机接口最初其实是用来实验性检验这个想法的。

那个时候我们甚至还没有真正想到患者。

如果一群神经元能够实时控制一个机器人设备,那么群体编码就已经不只是理论概念。

它是大脑真正具有的功能属性。

这种观点解释了很多单神经元记录无法解释的问题。

我相信,从单细胞解释转向群体编码的变化已经不可逆。

下一次更大的变化,可能是认识到大脑作为一个整合整体运行。

传统教科书把视觉皮层、运动皮层、感觉皮层清晰切开的方式越来越难完全成立。

Brodmann已经死了。

大脑并不在意我们人为划出来的那些边界。

问:早期脑机接口实验是否改变了你对运动皮层在产生运动中作用的理解?

我们发表早期猴子脑机接口研究前后,Charles Jennings邀请我为《Nature》写了一篇相关评论。

John Chapin和我当时发现,有效的控制信号分布在额叶和顶叶很多地方,并不只存在于经典运动区域。

有些实验中,我们甚至可以完全利用躯体感觉皮层神经元控制设备,而无需经典运动皮层神经元参与。

这后来成为我在15年以后提出“相对论大脑”理论的基础⁴。

这个理论认为,大脑不会被动解码外部世界。

大脑会持续构建并更新自身关于现实世界的模型。

它会不断比较输入信息与内部预测,这需要大量分布式神经元群体共同参与。

从生物学角度看,这很合理。

运动对生存太重要。

即使部分皮层受损,动物仍然必须能够行动。

这也是我后来形成群体编码原则并发表在《Nature Reviews Neuroscience》上的基础。

支持运动的神经机制高度分布。

如果没有脑机接口实验,我们可能根本不会改变原来的观点。

还有一个观察结果一直没有正式发表,但我印象非常深。

有时候,猴子在实验室睡觉时,我们仍然会记录神经活动。

令人惊讶的是,睡眠期间偶尔会出现足以驱动机械设备的神经活动模式。

猴子似乎正在重放白天完成的某些任务。

它睡着的时候,机械臂甚至会执行白天动作序列的一部分。

当时我们担心,如果把这个结果发表出来,别人可能觉得我们疯了,所以最终没有写进论文。

现在回头看,我认为当时应该把它发表出来。

问:为什么你更喜欢使用BMI,也就是脑机器接口,而不喜欢脑计算机接口?后来这个概念又如何发展成“脑机器脑接口”?

创造一种新技术时,名称非常重要,因为名称会影响人们如何理解它。

我的母亲Giselda Laporta Nicolelis是巴西很有名的作家。

她教给我的一件事情,就是文字很重要。

所以我一直更喜欢BMI这个概念。

它表达的是一个更广泛的概念,也就是利用脑信号控制外部设备。

这个设备可以是电脑,也可以是机械臂、外骨骼、虚拟环境、电子系统或者很多其他机器。

电脑只是机器中的一种。

如果把整个领域全部定义为脑计算机接口,它的范围和潜在应用会自然变窄。

后来“脑机器脑接口”的想法来自另一类实验。

这些实验表明,反馈信息可以直接重新送回神经系统。

红外线大鼠实验对我影响尤其大。

我们给大鼠安装红外传感器,然后把传感器输出直接输入躯体感觉皮层。

大鼠后来学会利用红外信息在环境中导航并寻找目标。

与此同时,躯体感觉皮层神经元仍然会正常响应胡须,同时又形成了类似“红外感受野”的新响应。

大脑在进行信息流的多路复用。

它把一种进化过程中从未天然提供过的感觉信息纳入自己的信息处理中。

这让我真正认识到神经可塑性的深度。

大脑能够接入全新的信息通道,然后把这些信息当成自身运行现实的一部分。

这些想法后来又促使我们研究多个大脑形成的交互网络,我们称之为“Brainets”。

无论动物还是人类,当群体合作完成任务时,大脑活动都可以出现同步。

我们在猴子中通过实验展示了这种现象。

在现实中,管弦乐演奏、团队体育等活动也体现类似原则。

从这个角度看,脑机接口的意义也超出了控制机器。

它可以成为研究大脑如何接入新信息、适应新环境以及多个大脑如何协调的一种实验工具。

问:什么因素会决定脑机接口的长期稳定性?

核心一直是生物相容性。

从最开始,John Chapin和我就认为,刚性植入物会带来问题。

大脑并非静止结构。

如果把刚性设备放进持续发生微小移动的组织中,炎症和组织损伤很难避免。

从20世纪80年代末开始,我们一直使用非常细、柔软、类似头发的微导线。

我们的目标,是让植入物跟着大脑一起移动,减少与组织之间的机械冲突。

这样的设计让我们能够在大鼠中维持数月记录,在猴子中甚至维持数年。

我们还发现,非常尖锐的电极尖端容易积累蛋白质和其他生物材料,导致阻抗增加,最终降低信号质量。

因此,我们后来反而使用更大、更圆的电极尖端。

刚开始看这似乎有点违反直觉,但长期稳定性更好。

炎症反应到今天仍然是植入式脑机接口最重要的限制之一。

随着时间过去,炎症反应会逐渐包裹电极尖端,记录质量随之下降。

这个问题目前还没有真正解决。

对于临床应用,真正核心的问题并非一个植入物到底有多少通道,或者电子系统多么复杂。

我们必须知道,它进入大脑以后究竟能够安全工作多久。

如果一个植入物只有几个月或者一年有效期,很难合理化一次神经外科手术的成本和风险。

在生物相容性问题真正解决以前,这一点会持续决定侵入式脑机接口技术的长期价值。

在人类中做了大量非侵入脑机接口研究以后,我越来越惊讶于不植入任何东西也能够实现这么多事情。

在我们的Walk Again Project康复研究中,患者利用基于EEG的脑机接口、机器人和虚拟现实组合,重新获得了具有实际意义的运动能力。

成功康复并不要求把健康神经系统中的每一个活动细节都完整复制出来。

大家经常被复杂电子设备吸引,却容易忽略临床真正重要的三个因素,疗效、可负担性和安全性。

在生物相容性问题彻底解决以前,非侵入方案可能产生非常大的现实影响。

问:Walk Again Project以及后续研究显示,长期脑机接口训练可能促进慢性脊髓损伤患者的功能恢复。你认为这种改善背后的机制是什么?

我们早期脑机接口实验得到的一个重要认识,是大脑可以把外部设备纳入自身功能表征。

我们发现,神经元后来不仅会响应身体属性,也开始响应正在控制的机器人设备的属性。

运动皮层、躯体感觉皮层以及其他皮层区域的一些细胞,会逐渐对机器人执行器的位置、速度和加速度等变量形成调谐。

换句话说,这个设备逐渐成为神经表征的一部分。

这个发现从一开始就影响了我对于康复的理解。

目前,我们正在与北京宣武医院的同事开展临床试验,同时研究治疗组和对照组。

在研究后期,我们还让部分对照组患者进入治疗组,并观察到类似结果。

一种假设是,通过虚拟现实、机器人设备和感觉反馈,我们可能重新激活脊髓损伤以后仍然保留的残余通路,并把这些通路重新纳入功能回路。

最近我也在考虑另一种可能。

肌肉本身可能参与了这一机制。

肌肉组织实际上具有内分泌器官功能。

运动过程中,它会释放信号分子,也就是肌因子。

这些分子可以进入血液,再到达大脑,并影响神经发生、树突生长和轴突萌芽等过程。

一个人发生截瘫以后,会失去大量肌肉组织。

与此同时,也失去了这类信号的重要来源。

如果通过脑机接口训练恢复运动并重新建立肌肉活动,我们可能同时恢复了一个能够促进神经可塑性的重要生物学通路。

这样产生的影响涉及整个身体与大脑系统,而非单纯绕过损伤通路。

这个想法与我们的纵向神经影像结果比较一致。

我们使用结构MRI和功能MRI长期跟踪慢性脊髓损伤患者。

很多患者出现广泛皮层萎缩。

这些萎缩并不限于运动系统,还涉及一些与衰老和神经退行性疾病相关的脑区。

感觉上,脊髓损伤似乎在加速大脑的衰老过程。

经过9个月基于脑机接口的康复以后,我们观察到其中部分萎缩出现一定程度的逆转。

问:今天的脑计算机接口和脑机器接口研究中,什么被高估了?

我认为目前最被高估的一点,是人们认为只要计算模型成功,就意味着它解释了大脑真正如何工作。

我们最早进行猴子脑机接口实验时,测试过很多不同解码方法。

包括人工神经网络、卡尔曼滤波、维纳滤波等。

它们基本都能够工作,而且很多时候性能差异其实并没有特别大。

这马上会引出一个问题。

如果这么多完全不同的算法都能够解码同样的神经活动,那究竟哪一种才是大脑真正使用的算法?

我的答案很可能是,大脑没有使用其中任何一种。

这些算法是有价值的近似工具,但它们无法自动成为生物学解释。

整个领域有时候会过度假设,一个数学描述等同于一个生物学解释。

研究者利用数学框架拟合神经数据,然后推断大脑本身一定在执行相同的计算。

大脑与一个脱离身体的计算机差异很大。

大脑在很大程度上属于模拟系统,它作为身体的一部分运行,并持续处在变化的环境中。

数学是大脑创造出来用于描述现象的一种语言。

它不一定就是大脑自身真正使用的语言。

这一问题也延伸到了神经技术和人工智能周围一些更加夸张的说法。

例如有人认为记忆可以像电脑文件一样上传、下载或者转移。

我对此高度怀疑。

大脑中没有非常明确的硬件和软件分离。

信息直接嵌入生物结构本身。

把数字计算领域的很多隐喻直接套在活体神经系统上,会产生误导。

问:什么又被低估了?

我认为脑机接口的临床潜力反而被低估。

如果我们开始发现的一些机制最终得到证实,那么它的意义可能远远超出脊髓损伤。

刚才提到,我们最近的康复研究提示,脑机接口训练可能影响更加广泛的皮层健康和衰老过程。

如果这一点成立,那么这些方法未来可能被用于多种神经退行性疾病,甚至有机会延缓部分与年龄相关的功能下降。

当然,目前这些仍然只是需要严格验证的假设。

过去十年真正让我印象非常深的,是非侵入脑机接口的潜力。

现在已经积累了相当多证据,说明在完全不向大脑植入设备的情况下,也可以实现有实际意义的康复。

我认为很多人低估了这类技术的公共卫生价值。

全球有数十亿人受到神经系统疾病影响,而衰老是最主要的危险因素之一。

我们不可能建立足够多的专科医院去照顾所有患者。

非侵入脑机接口提供了一种完全不同的模式。

理论上,患者可以在家接受训练和康复,通过远程方式进行监督,只需要相对低成本的设备。

这种分布式医疗模式,可能比只能服务少数高度筛选患者的复杂技术产生更大的社会影响。

真正的机会,很可能存在于目前最缺乏炒作的地方。

整个领域有大量资源投向越来越复杂的植入物。

与此同时,开发安全、可负担、可规模化,并能够覆盖大量人群的康复工具,同样是一个极其重要的方向。

我认为这可能最终成为脑机接口最大的社会价值之一。

问:虽然你对炒作有所担忧,但公众和商业资本兴趣增加,是否确实帮助神经技术加速发展?

我的感受比较复杂。

毫无疑问,这个领域获得了巨大的关注。

Walk Again Project结果发表以后,研究得到了大规模媒体报道,也帮助脑机接口进入公众视野。

就在今年,中国还在国家规划框架中把脑机接口与人工智能、机器人等一起列为战略技术领域。

大量神经技术初创公司也开始出现,尤其是在美国,同时有大量私人投资进入。

更加不确定的是,这一波热度是否同等程度推动了基础神经科学。

至少从我的经验看,在美国通过传统学术渠道获得脑机接口研究经费有时候反而更加困难,私人资本的增长速度却很快。

商业繁荣不会自动转化成对基础科学更强的支持。

我担心商业开发与科学传统之间的距离越来越大。

科学研究的传统,是公开发表结果,让整个学术共同体都能够获取并审查。

越来越多研究活动现在发生在私人公司内部。

这些数据未必会接受同样程度的公开审查。

脑机接口受到关注当然有积极意义。

真正需要警惕的是,宣传速度超过证据增长速度。

患者应该拥有希望,同时也应该知道哪些事情已经真正实现,哪些事情依然需要证明。

问:在巴西建立神经科学能力的经历是什么样的?

我曾经在瑞士休假期间参与建立后来发展成EPFL神经假体中心的机构。

2002年我回到巴西时,发现当地在神经技术和转化神经科学方面的基础设施仍然非常有限。

巴西拥有很强的基础神经科学传统。

但当时还没有我想象中的那种把研究、教育和临床服务真正整合起来的机构。

这是我职业生涯中最有成就感的经历之一。

我决定验证一个在脑中存在很多年的想法。

科学可以成为社会变革的一种力量。

我们没有把研究所建立在巴西最富裕的地区,而选择了东北部的Macaíba。

当时那里属于巴西最贫困的地区之一。

当地人类发展指标在全国处于很低水平。

很多人认为,把一个神经科学研究所建在那里简直疯了。

但这恰恰就是我的目的。

我希望证明,世界一流科学可以帮助那些长期被忽视的地区推动社会和经济发展。

从设计开始,这个机构就不只是一个研究中心。

我们建设了一个神经科学园区,把基础研究、临床服务和科学教育结合在一起。

我们建立面向中小学生的项目。

开展面向妇女和儿童的免费医疗服务。

还建立了一个今天每年服务数万名患者的临床网络。

妇幼健康一直是我们的重要重点。

我们刚到那里时,当地孕产妇死亡率在全国处于很高水平。

此后二十年,随着医疗服务逐渐改善,这些数字大幅下降。

建立这个研究所,需要说服几乎所有人。

我要说服政治人物、政府机构和私人捐赠者,让他们相信这个项目能够实现。

Lily Safra当时为这个项目提供了一笔在巴西科学领域规模极大的私人捐赠。

巴西政府随后提供了配套资金。

这些支持让我们能够建立足以长期维持项目运行的基础设施。

现在回头看,让我最开心的并非某一个单独科学成果。

真正让我满意的,是整个地区后来发生的更加广泛的变化。

我们建设研究所的Macaíba现在把自己称为“脑之城”。

一代又一代学生参加我们的科学教育项目。

医疗服务不断扩展。

研究所逐渐成为这个地区身份的一部分。

我们经历了很多届政府和很多困难时期。

但二十多年以后,这个项目依然持续运行。

对我而言,这个研究所证明了一件事情。

当科学真正嵌入它所服务的社区时,科学能够帮助改变社会。

采访:Henrietta Howells


《全球脑机π》专栏介绍

特刊|专访Miguel Nicolelis:我们可能高估了算法对大脑的解释能力图3

《全球脑机π》是脑机新声平台倾力打造的全球首个聚焦脑机接口(BCI)领域的人物深度访谈专栏。

π,无限不循环。正如人类对大脑的探索没有终点,脑机接口行业先驱者的创造力也没有边界。我们不做泛泛而谈的行业综述,只和真正在改变人类认知边界的人一对一深谈。

《全球脑机π》专栏下设五大子栏目:针对商业领域的《BCI TALK》、针对临床专家的《NEURO TALK》、针对科学家的《SCIENCE TALK》、患者视角的《LIFE TALK》、产业从业者的《INDUSTRY TALK》。从实验室到手术室,从研究论文到患者家庭,拼出这个行业的完整图景。

特刊|专访Miguel Nicolelis:我们可能高估了算法对大脑的解释能力图4

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