专家 | 脑机接口与神经调控融合发展

脑机接口在《脑机接口术语国际标准》中的定义为脑与外界计算机、设备或者环境之间的信息交互，以实现神经功能替代、恢复、增强、辅助、改善，调节中枢神经系统与其内部或外部环境之间的动态交互过程。

从信息传递的理论框架出发，脑机接口技术可系统性地划分为三大核心类型：读脑、写脑与脑机交互。其中，读脑技术通过电信号、光学成像、离子浓度监测及神经递质检测等多模态物理与化学传感器，实现对大脑神经活动的实时采集与深度解析。写脑技术则创新性地运用电刺激、光遗传调控、声波干预及磁场调控等手段，通过精确控制时间序列、频率特征及刺激幅度等编码参数，实现对大脑功能的调控。

作为脑机接口领域最具前沿性的发展方向，脑机交互技术通过建立与特定疾病或脑功能状态密切相关的生物标记，并整合神经反馈机制与脑状态自适应调控策略，开创了动态化、闭环式、精准化的脑功能调控新模式。这一技术的突破性进展不仅显著提升了大脑与外部设备之间的交互效率与精确度，更为神经系统疾病的治疗与功能康复开辟了创新性的技术路径。

随着多学科交叉融合的深入发展，脑机交互技术正在推动脑科学研究范式的革新，其临床应用前景广阔，为未来智能化医疗和脑健康管理提供了强有力的技术支持。这一技术体系的不断完善，将为实现脑功能精准调控和神经系统疾病的有效治疗提供新的突破口。

1. 脑功能研究范围加速拓展

在过去的数十年间，脑机接口技术对脑功能的解析与调控经历了从局部到整体、从简单到复杂的系统性演进过程：从局部脑功能的解码与调控，逐步拓展至脑网络功能的整合研究，最终深入到高级认知功能的探索与应用。

早期的脑机接口研究主要聚焦于大脑与计算机之间的直接交互，其核心目标是通过解码运动皮层或视觉皮层的神经活动，实现运动控制、字符输入等功能。这些开创性研究为脑机接口技术的发展奠定了重要基石，但受限于当时的技术水平，其应用范围主要局限于运动和感觉功能的解码。

随着神经科学技术与信息处理方法的突破性进展，脑机接口的研究范畴得到了显著拓展。研究重点不仅涵盖更广泛的脑功能解码与调控，还延伸至外周神经系统和自主神经系统的神经信息处理。

更为重要的是，脑机接口技术在复杂认知功能的解码方面取得了突破性进展。基于脑电信号的情绪解码技术已能够构建个体情感状态的精准判别与预测模型。通过颅内脑电信号实现言语解码技术，为渐冻症等丧失语言能力的患者提供了全新的沟通途径；植物人意识状态检测技术的开发，则为意识障碍患者的评估与康复带来了革命性的突破。这些进展标志着脑机接口与神经调控技术已突破传统运动与感官功能的局限，逐步深入到情绪、记忆、决策等高级认知功能的研究领域。

这一技术范式的转变不仅推动了脑机接口技术与基础神经科学的深度融合，更为神经功能修复和脑疾病治疗开辟了广阔的应用前景。随着研究的深入，脑机接口技术有望在脑科学研究和临床应用领域发挥更加重要的作用，为理解脑功能机制、治疗脑疾病提供强有力的技术支撑。

2. 脑信息获取形式更加丰富

脑电信号作为脑机接口技术早期研究的核心要素，在技术发展初期发挥了关键作用。然而，随着研究深入，跨时空尺度的脑功能信息逐渐被引入该领域，极大地提升了技术的精确度、稳定性及应用场景的多样性。这一多尺度融合的研究范式为脑机接口与神经调控的机制探索和技术创新提供了更为全面的信息窗口。

在空间维度上，脑机接口研究已构建起从微观到宏观的多尺度研究体系。微观尺度聚焦于单个或少量神经元的电活动监测，通过记录神经元的瞬时电位变化及其相互作用，揭示神经信息处理的基本单元。这一尺度下的研究主要依赖于高精度电极阵列、光学成像等先进技术，虽然具有极高的时间分辨率，但仍面临创伤性、长期稳定性及设备微型化等关键技术挑战。

介观尺度则通过场电位、皮层电位等记录方法，监测神经核团或大范围脑区的电活动，提供神经集群的动态信息。这一尺度的研究为长期植入式脑机接口与神经调控提供了重要的监测手段，在神经疾病的诊断与治疗中发挥着关键作用。

宏观尺度研究则采用脑电图、脑磁图和功能磁共振成像等技术，捕捉全脑范围的神经活动，提供脑功能的空间分布特征及脑网络的时空动态信息。这些技术不仅在复杂运动任务、动态视觉信息处理等高级脑功能的解码中具有重要应用价值，更为脑机接口与神经调控技术的机制研究提供了系统性的实验范式。

这种跨尺度融合的研究方法不仅拓展了脑机接口技术的应用边界，更为深入理解脑功能机制提供了多层次的研究视角。随着多模态信息融合技术的不断发展，脑机接口技术有望在神经科学研究与临床应用中发挥更加重要的作用，为脑功能解析与调控提供更为精确的技术手段。

3. 脑机接口向动态信息交互范式发展

基于脑与外部设备之间的信息传递与处理机制，脑机接口技术可系统性地划分为三大核心类别：信息读出、信息写入与双向交互。

其中，"读脑"技术致力于从大脑中提取并解析神经信息，其核心科学挑战在于神经信息的精准解码，即从复杂的神经活动中识别与生理功能、病理状态相关的特异性信息。随着技术的突破性进展，"读脑"已从最初的运动与视觉功能解码，逐步拓展至高级认知过程、情绪状态及疾病生物标志物识别等复杂领域，并在精准医疗中展现出重要价值。以Alto Neuroscience公司为例，其通过脑电信号建立了精神疾病的生物标记体系，特别是在抑郁症的个性化用药预测方面取得了突破性进展。

"写脑"技术则聚焦于将外部信息编码并传递至大脑，其核心科学问题在于神经功能、神经环路及脑网络的可塑性调控。"写脑"技术旨在通过特定方式将信息输入大脑，实现对特定脑区或神经环路的精确激活与调控。例如，光遗传学技术通过光控手段实现对神经元活动的精准调控，为神经环路的机制研究提供了革命性工具。

在中枢神经系统的功能调控方面，这些神经调控技术展现出巨大的临床应用潜力。植入式脑深部电刺激技术在帕金森病和精神疾病的治疗中已取得显著疗效，而经颅磁刺激和经颅电刺激等无创神经调控手段则在睡眠障碍、阿尔茨海默病、抑郁症等脑疾病的轻中度干预中展现出广阔的应用前景。

"读写交互"技术致力于实现神经信息解码与脑功能调控的动态融合与双向交互。鉴于大脑作为具有网络性、动态性和非线性特征的复杂系统，可靠且稳定的神经解码与编码面临着巨大的技术挑战。通过将神经信息解码与脑功能调控或神经反馈机制有机结合，这一技术范式为高精度外部设备控制及脑功能精准干预提供了创新性解决方案。

在这一领域，加州理工学院的研究团队取得突破性进展。他们开发了一种集成触觉反馈的脑机接口系统，通过向大脑皮层特定区域施加电刺激，使患者能够感知到与自然触觉高度相似的反馈信息，从而准确识别物体的质地与硬度特征。该系统通过整合运动控制与感觉反馈机制，显著提升了患者的操作精度和环境交互能力，为脑机接口技术的人机交互性能优化提供了新的技术路径。

在神经调控领域，基于脑电信号和脑深部场电位等神经活动的实时监测，研究人员可以建立与特定功能相关的生物标志物体系，进而制定自适应的神经调控策略。这种闭环调控方法能够实现对脑功能和神经环路的精准干预，在帕金森病、抑郁症等神经系统疾病的治疗中展现出显著的应用价值。通过实时监测患者的神经活动特征，系统可以动态调整刺激参数，实现个体化、精准化的治疗效果。

这种读写交互技术的突破不仅推动了脑机接口技术的智能化发展，更为理解大脑的信息处理机制提供了新的研究范式。随着技术的不断完善，读写交互技术有望在神经科学研究、脑疾病治疗、脊髓损伤功能重建和智能假肢控制等领域发挥更加重要的作用，为人类探索和干预大脑功能开辟新的技术途径。

经过逾半个世纪的发展，脑机接口与神经调控领域已逐步构建起以神经功能解析、神经信息解码和脑功能反馈调控为核心的科学体系，并形成了以信息双向动态交互和调控建模为关键技术的研究范式。通过实现神经解码与神经编码的深度融合建立闭环系统，推动其向融合发展新阶段迈进。这一重大进展在神经功能重建、机体功能康复和脑疾病治疗等方面取得了突破性成果，同时也面临着技术精度提升、系统稳定性优化以及临床应用推广等新挑战。

首要挑战源于大脑复杂功能的多样性与动态性。大脑不仅涉及运动、感知等基础功能，还包括情绪、认知、决策等高级功能，这些功能之间的交互网络极其复杂。不同脑区之间的协同模式及其对外界刺激的响应存在显著的个体差异，这极大地增加了大脑信号解码和神经活动调控的难度。此外，大脑活动会随环境、情绪和健康状态等因素而动态变化，对实时监测和神经调控系统的精准性提出了更高要求。目前的技术在稳定性、实时性和个体化调控等方面仍存在诸多局限。

其次，长期使用的有效性是另一重大挑战。脑机接口和神经调控系统主要依赖电极或传感器来获取大脑信号或实施神经调控。对于植入式系统而言，电极可能受到生物体内环境的显著影响，如免疫反应、炎症反应或组织包裹等。随着时间的推移，电极与周围组织之间可能产生不良的生物相容性反应，从而影响信号的精度和有效性。非植入式系统则面临电极界面随时间和使用位置变化而导致的信号稳定性和可重复性降低的问题。这些因素严重制约了脑机接口和神经调控技术的长期有效性和广泛应用。

最后，大规模人群应用的可及性同样是一大挑战。尽管脑机接口和神经调控在脑疾病治疗和神经康复领域展现出巨大潜力，为数千万患者带来了新希望，但这些技术仍主要局限于特定医疗环境中实施。高昂的设备成本、安全性问题、患者适应症的确定、专业手术规划与实施以及术后康复等一系列挑战，限制了其在大规模人群中的应用。此外，完整的全流程管理体系需要专业技术人员和团队的支持，这些因素进一步制约了这些技术的普及和推广。

面向脑功能提升、脑疾病治疗与康复以及类脑与具身智能发展的迫切需求，脑机接口与神经调控的融合发展亟需解决从机制探索、技术创新到临床应用的关键性任务。通过跨学科合作和技术突破，有望克服这些挑战，推动该领域迈向新的高度。

1. 超时空分辨神经功能与环路调控

跨时空尺度神经信息解码与编码的研究，旨在建立从单神经元到神经环路的毫秒级时间分辨率和微米级空间分辨率的神经功能监测与调控体系，这不仅是神经科学领域的前沿挑战，更是脑机接口与神经调控技术发展的核心任务之一。通过对兴奋性/抑制性神经元、多巴胺/五羟色胺能神经元、感觉/运动神经元等特定神经群体的精准识别与调控，以构建与疾病表型、临床症状及功能状态密切相关的神经环路特征，并实现对这些环路的特异性干预。这一技术突破不仅能够实现对神经系统活动的精确探测与调控，深化对脑功能与调控机制的理解，还将为神经疾病治疗、精神障碍干预以及脑功能优化提供创新性的解决方案。通过整合多尺度、多维度的神经信息，该研究有望推动脑机接口与神经调控技术向更高精度、更强特异性的方向发展，为相关疾病的精准医疗和脑功能增强开辟新的途径。

2. 跨功能、分子、遗传多模态靶点调控

脑功能的实现是一个多层次、多维度协同作用的复杂过程，它不仅依赖于神经元的电活动特征和神经环路的动态交互，还受到分子层面（包括神经递质、受体、离子通道等）以及遗传因素（如基因表达调控、基因突变等）的影响。在微观层面，通过药物干预、分子靶点调控或基因编辑技术，可以实现对神经系统的精细调节。其中，药物干预为神经功能的长期调节提供了基础性支持，而基因编辑技术则能够实现对神经功能的根本性和持久性干预。在介观层面，利用电刺激、磁刺激等技术手段进行神经活动调控，能够实现对神经信号的实时干预与调节。通过将分子、遗传层面的调控技术与神经刺激手段相结合，研不仅能够在不同尺度上实现对神经系统的精准调控，还能够构建起更为精细、高效的神经功能干预体系。这种多层次、多模态的调控策略，为深入理解脑功能机制、优化神经调控效果提供了新的研究范式和技术路径，也为神经系统疾病的精准治疗和脑功能增强开辟了新的可能性。

3. 基于脑信息编解码的脑机交互神经调控

针对帕金森病、抑郁症、意识障碍等重大脑疾病，构建人脑功能数据库，并在此基础上建立运动、记忆、决策、情感等关键脑功能的神经标记模型。通过开发神经网络功能、行为与生理信息交互的数学模型，建立功能特异性的脑机交互神经调控范式。基于神经信息感知、建模与决策的脑机接口神经机制，研发神经信号记录、计算与控制功能的多功能智能化脑机交互芯片，实现可重构、可编程、低功耗的感存-算-控一体化集成。研发具备高通量、高精度、高灵敏度、可长期生物兼容的植入式器件，构建精准神经调控、生理信息传感与实时反馈执行的智能交互器件系统，最终实现传感-计算-刺激脑机融合的智能神经调控技术及其临床转化应用。

4. 数字化认知行为干预与神经调控

数字化认知行为干预与脑机接口及神经调控技术的深度融合，为大规模人群的脑与认知功能精准干预和长期管理提供了创新性解决方案。通过实时的脑功能监测、个性化的认知行为干预策略以及神经调控技术的协同应用，这一技术体系不仅能够在早期识别并干预脑与认知功能的异常变化，还能有效预防和延缓脑部疾病的发生进程。随着人工智能算法和大数据分析技术的不断突破，这种多模态技术融合将推动脑健康管理向智能化、精准化方向发展，实现脑健康的早期预警、早期预防和早期干预。这种技术范式在公共健康领域的广泛应用，不仅能够显著提升脑健康管理的效率和效果，还将为构建更健康、更智能的社会提供强有力的科技支撑，从而推动脑科学研究和健康管理模式的革新与进步。

5. 脑机接口与具身智能融合

针对多类型脑信号高效整合与协同处理的迫切需求，构建基于大模型的统一脑信号编码范式与框架。该框架旨在实现对多种脑信号的功能性整合、一致性表征及脑功能的精准反馈调控，成为具身智能设备与人类深度交互的核心基础。

通过多模态神经信息融合的脑信号编码框架与具身智能大模型，系统将能够直接驱动机器人和智能设备，并与虚拟世界中的具身智能体进行无缝交互，提供沉浸式虚拟体验与动态交互能力。这一创新将实现自然、高效的人机交互与学习，显著提升具身智能体的自主性和灵活性，推动人机协作和机器学习领域的新突破。同时，它将促进生物智能与具身智能机器人、数字孪生体等在自主学习和进化技术方面的持续提升，为未来智能技术的发展开辟新的可能性。

1. 在科学研究上，为脑科学研究提供因果研究范式

传统的神经科学研究主要依赖于观察性实验，这些方法虽然能够记录神经活动，但往往难以直接揭示神经活动与特定行为或认知过程之间的因果关系。相比之下，脑机接口与神经调控技术通过实时解码和精准操控大脑的神经活动，能够直接测试特定脑区活动对行为、情感或认知过程的影响，突破了传统方法的局限性。

这种技术不仅能够提供更加直接和准确的因果关系数据，还能构建更加精确的神经功能模型，为深入理解大脑的正常功能及其异常机制提供了有力工具。通过结合多模态神经信息与先进的计算模型，脑机接口技术能够揭示神经活动的动态特性及其与行为之间的复杂关系，从而推动大脑功能解析领域的重大突破。这一进展不仅为神经科学研究提供了新的方法论支持，也为脑疾病治疗、智能技术开发等应用领域奠定了坚实的理论基础。

2. 在医疗领域，为脑疾病治疗提供创新解决方案

脑机接口与神经调控技术通过高精度的神经信号解码与靶向调控，为患者提供个性化、定制化的治疗方案，不仅显著提升了治疗效果，还可显著地降低传统疗法的副作用。未来，随着脑机接口技术与大数据分析、人工智能及数字疗法等前沿技术的深度融合，这一领域将在个性化治疗、神经重建和脑功能恢复等方面引发革命性变革。这些技术的协同作用将赋能脑机接口与神经调控，为神经系统疾病的治疗开辟全新的解决路径，推动医疗领域向更加精准、高效的方向发展。

3. 在学科发展上，构建神经科学、工程技术与临床医学融合的交叉学科

脑机接口与神经调控技术虽处于发展初期，但已成功构建起科学探索、技术创新与临床应用之间的桥梁，显著推动了神经科学、工程技术与临床医学等多学科的深度融合。通过跨学科的协同创新，这一领域正加速脑科学与技术的紧密结合，并催生医疗技术的重大革新。

随着脑机接口与神经调控学科的持续发展，将围绕神经信息解码与神经功能调控的核心科学问题，构建交叉集成应用的发展框架，培育交叉学科人才。这一框架不仅将加速神经科学研究的理论突破与技术转化，还为临床治疗提供了更加多样化和创新性的工具。通过整合多学科优势，脑机接口与神经调控技术将进一步拓展其在医学、康复及认知科学中的应用边界，为人类健康与科技发展开辟新的前沿阵地。

4. 在前沿技术上，为发展脑机融合智能提供新路径

通过精确解码与调控大脑的神经活动，脑机接口技术能够为人工智能系统提供更加丰富、多维的信号输入，从而帮助其更深入地理解人类的意图、情感和认知过程。这一技术突破将显著提升人工智能的“感知”与“推理”能力，使其在复杂场景中表现出更高的适应性和准确性。

此外，通过模拟大脑的学习机制和神经连接模式，人工智能的演进有望更加贴近人类大脑的工作原理。借鉴神经可塑性原理，人工智能系统可以动态调整其学习策略；而基于神经网络的仿生设计则可能实现更高效的并行计算与信息处理。这种脑机融合智能的发展将推动人工智能在感知和推理能力上的重大突破，促使其在更高层次上与人类思维相融合，实现更加智能化、灵活化的交互与决策。

这一技术融合不仅为人工智能的发展提供了新的方向，也为脑机接口技术的应用开辟了更广阔的空间。通过结合神经科学与人工智能的优势，未来有望构建出更高效、更接近人类思维的人工智能系统。

5. 在未来社会中，为人与环境和谐共存提供支撑

在未来智能化社会中，脑机接口技术将成为人机交互的核心纽带，为人与智能环境之间的深度互动提供革命性支持。尤其在环境适应、情感调节与认知优化方面，脑机接口将发挥不可替代的作用。通过实时解码大脑信号并与外部智能设备无缝对接，脑机接口能够精准调控个体的情绪状态、认知功能和行为反应，从而显著提升心理健康水平与生活质量。

在虚拟现实和增强现实等前沿技术的应用中，脑机接口将彻底打破传统物理空间的限制，赋能远程工作、教育、医疗等领域的高效协同。通过脑机接口，用户可以直接以思维操控虚拟环境中的对象，实现更自然、直观的交互体验；在医疗领域，脑机接口支持的远程诊疗将突破地理限制，为患者提供即时、精准的治疗方案。

此外，脑机接口技术还将推动人类与智能环境的和谐共存。通过深度整合神经科学与智能技术，脑机接口能够实时感知智能环境变化并优化个体的适应性反应，从而构建更加智能化、人性化的生活场景，确保智能环境的合理应用。未来，脑机接口不仅将重塑人机交互的方式，还将为人类社会的可持续发展提供新的技术支撑，助力构建更加包容、高效、和谐的智能化社会。