近日，德国灵长类动物研究中心（DPZ）、法国里尔大学等机构开展了一项开创性研究，该研究聚焦脑机接口（BCI）控制下视觉运动适应的神经机制，通过创新实验设计破解了传统研究中本体感觉信号与身体运动耦合干扰神经机制解析的难题，不仅加深了我们对大脑运动学习的理解，还推动了神经假体技术的未来发展，并阐明了大脑如何在无需对神经网络进行结构性重新连接的情况下重新校准运动指令。
恒河猴大脑的图形表示。大脑中在控制手臂和抓握动作方面起作用的区域用颜色标出。黄色：运动前区皮层，绿色：运动皮层，蓝色：内侧顶内区 @DPZ
在日常生活中，为了完成精准的动作，我们大脑的运动系统必须不断进行重新校准。如果我们想投篮，用熟悉的篮球会很顺手，但换成更轻或更重的球就需要额外练习。我们的大脑会将实际（投掷）结果与预期结果的偏差作为错误信号，以便为下一次投掷学习更优的指令。但传统研究这种视觉运动适应时，往往面临一个棘手问题：本体感觉信号（身体对自身位置和运动的感知）会随身体运动自然变化，导致视觉反馈与本体感觉信号不一致，难以准确分辨大脑各个区域背后的神经生理机制。
为解决这一问题，研究团队创新性地采用脑机接口技术，让恒河猴在仅视觉反馈随运动变化、本体感觉信号保持恒定的条件下，完成3D视觉运动旋转任务，从而精准探究前额叶与顶叶皮层在运动适应中的作用。
实验中，研究人员聚焦于恒河猴大脑中负责手臂和抓握动作的特定区域，采用了复杂的脑机接口装置，使这些动物能够纯粹通过神经活动在3D空间中操控电脑光标。实验中，光标控制分为两种模式：手动控制时，光标运动与猴子手部运动完全对齐；脑机接口控制时，猴子手部保持静止，光标运动完全由颅内神经元活动驱动。
3D虚拟现实（VR）任务的实验设置 @PLOS Biology
为全面捕捉神经活动，研究人员在猴子大脑的三个关键脑区植入电极：初级运动皮层（M1，负责运动执行）、背侧前运动皮层（PMd，参与运动计划）和顶叶抓握区域（PRR，涉及空间感知与运动规划），并将这些脑区的神经元分为“控制单元”（直接连接脑机接口解码器，驱动光标运动）和“非控制单元”（不直接连接解码器，此前被认为可能不参与运动控制），同时设置两种解码器方案——“额叶仅用”和“额顶叶共用”，以对比不同脑区的作用。
实验流程分为三个阶段：基线期（160次无视觉扰动试次）、扰动期（30次视觉反馈旋转试次，光标在额平面内发30°旋转，模拟视觉与运动的错位）和洗出期（移除旋转扰动，直至猴子主动停止任务）。通过引入了系统性干扰，即使得屏幕上光标的移动与猴子的预期动作持续偏离——这种新颖的实验设计迫使动物调整其运动指令，为剖析误差驱动的运动学习的神经基础创造了独特机会。尽管存在这些干扰，猴子的自然运动功能仍保持完好，这确保了所观察到的神经变化与脑机接口框架内的学习适应直接相关。
神经机制层面的发现更具突破性。研究团队通过计算“神经流形对齐指数”（衡量不同实验阶段神经网络活动模式的一致性）发现，基线期、扰动期与洗出期的神经活动模式（由前四个主成分解释大部分方差）差异小于1%，这表明大脑在适应过程中并未重构神经网络结构，而是通过“重新关联”现有神经活动模式来补偿视觉扰动——即调用已有的神经元活动组合，而非建立新的神经连接，这一“流形内学习”机制为理解大脑高效适应提供了新视角。
令人意外的是，非控制单元（不直接驱动脑机接口运动的神经元）同样深度参与适应过程。通过离线卡尔曼滤波器解码非控制单元的神经活动，研究人员发现，M1和PMd的非控制单元与控制单元表现出一致的编码特性；同时，相对增益分析显示，M1-PMd非控制单元的适应水平可达控制单元的59%（Y猴）和94%（Z猴），说明运动适应并非仅由直接控制运动的神经元完成，而是涉及更广泛的脑区网络。
顶叶PRR的表现进一步揭示了额顶叶皮层的协同适应机制。无论PRR是作为控制单元还是非控制单元，其神经活动均呈现出“运动样编码”特征——运动末期轨迹偏转显著为负，且PRR与M1-PMd对解码器的贡献程度相近，证明PRR并非单纯反映视觉反馈，而是与前额叶皮层协同参与运动适应。此外，研究还发现运动适应在“计划阶段”就已启动，且与“执行阶段”的关联随学习不断增强，其中前额叶皮层的这种“计划-执行”转换效率显著高于顶叶，提示不同脑区在运动适应中存在功能分工。
总之，该研究最突出的发现之一是，大脑不需要重新连接其神经连接来适应这种新的运动控制模式。相反，大脑会借助已有的解决方案，也就是大脑普遍熟悉的某个动作，就如同为了修正新球的飞行轨迹而只是朝着不同方向瞄准一样。这一现象表明，脑机接口可能比之前设想的更容易被用户掌握，因为大脑是在现有网络中重新配置输出指令，而非构建新的通路。
德国灵长类动物研究中心感觉运动研究小组负责人亚历山大·盖尔（Alexander Gail）进一步强调了这些发现的转化潜力。通过阐明大脑如何重新校准运动计划，这项研究为设计更直观、更有效的神经假体提供了参考，有望恢复瘫痪或其他神经运动障碍患者的行动能力和功能。对大脑无需重组即可适应的能力的重视表明，训练和康复方案可以进行优化，以高效利用现有的神经回路。
研究团队表示，未来将进一步探索不同空间维度（如深度方向）的视觉运动扰动适应机制，并验证恒河猴模型结果在人类身上的适用性，以期推动脑机接口技术从实验室走向更广泛的临床应用。
*研究论文：Frontal and parietal planning signals encode adapted motor commands when learning to control a brain–computer interface；发表日期：2025/9/29；期刊：PLOS Biology。本文仅用于学术分享，图片来自网络或论文，如有侵权请告知删除。
参考：
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003408
https://bioengineer.org/mind-driven-control-harnessing-thought-power-to-operate-prosthetic-limbs/
https://www.dpz.eu/en/public-engagement/news/article/prothesen-durch-gedankenkraft-steuern
https://innovatopia.jp/neurotrechnology/neurotrechnology-news/69517/
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