PNAS重磅：通過腦機(jī)接口訓(xùn)練，人類可以學(xué)會(huì)“秒切”大腦皮層狀態(tài)

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基本信息

Title:Brain–computer interface–based neurofeedback training enables transferable control of cortical state switching in humans

發(fā)表時(shí)間:2026-4-10

發(fā)表期刊:PNAS

影響因子:9.1

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研究背景

人類擁有令人驚嘆的行為靈活性，能夠根據(jù)內(nèi)在目標(biāo)或外部線索，靈活地啟動(dòng)、維持或切換動(dòng)作。在神經(jīng)層面，這種靈活性依賴于大腦皮層狀態(tài)之間快速、短暫的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。然而，長期以來該領(lǐng)域存在一個(gè)關(guān)鍵的未解問題：我們知道大腦狀態(tài)的切換驅(qū)動(dòng)了行為的改變，但人類是否能夠通過學(xué)習(xí)，獲得對(duì)這些神經(jīng)動(dòng)態(tài)的“自上而下”的自主控制權(quán)？如果能，這種純粹在大腦內(nèi)部進(jìn)行的“意念體操”，真的能改善我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)嗎？

為了回答這個(gè)問題，研究者通常會(huì)借助腦機(jī)接口（BCI）和神經(jīng)反饋技術(shù)。過去的閉環(huán)神經(jīng)反饋研究已經(jīng)證實(shí)，人們可以學(xué)會(huì)調(diào)節(jié)特定的神經(jīng)活動(dòng)（如放電率或局部群體活動(dòng)模式）來提升運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性。但這些研究大多關(guān)注單一狀態(tài)的維持，很少探討人類能否像在真實(shí)運(yùn)動(dòng)中那樣，學(xué)會(huì)在極短的時(shí)間窗口內(nèi)“快速切換”運(yùn)動(dòng)皮層的活動(dòng)狀態(tài)。

在這項(xiàng)發(fā)表于 PNAS 的最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)為期兩天的雙盲、假刺激對(duì)照（sham-controlled）腦機(jī)接口訓(xùn)練范式。他們要求參與者在“運(yùn)動(dòng)想象”和“肌肉放松”之間快速切換，試圖弄清楚：人類能否學(xué)會(huì)對(duì)感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（SMR）進(jìn)行快速的自主狀態(tài)切換？這種訓(xùn)練引發(fā)的神經(jīng)重組，是否能跨越訓(xùn)練情境，真正提升個(gè)體的運(yùn)動(dòng)靈活性？

研究核心總結(jié)

這項(xiàng)研究不僅證實(shí)了皮層狀態(tài)切換的可訓(xùn)練性，還揭示了其背后的全腦動(dòng)態(tài)變化，并最終將其落腳于真實(shí)行為的改善上。研究的核心發(fā)現(xiàn)可以歸結(jié)為以下三個(gè)方面：

一、真實(shí)神經(jīng)反饋驅(qū)動(dòng)了感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律的自主調(diào)控

研究者提取了參與者初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層（SM1）的腦電相對(duì)頻譜功率，并將其轉(zhuǎn)化為屏幕上實(shí)時(shí)移動(dòng)的反饋條。參與者需要通過運(yùn)動(dòng)想象（使反饋條向上）或放松（使反饋條向下）來控制目標(biāo)。為了嚴(yán)格控制安慰劑效應(yīng)，41名參與者被隨機(jī)分為兩組：真實(shí)組（Real）看到的是自己真實(shí)的腦電反饋，而假刺激組（Yoked）看到的則是回放的其他人的腦電數(shù)據(jù)。

結(jié)果表明，只有真實(shí)組在訓(xùn)練后成功掌握了對(duì)目標(biāo)神經(jīng)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)能力。具體而言，在初級(jí)軀體感覺皮層（S1）和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA），真實(shí)組在放松狀態(tài)下的 Alpha 頻段“爆發(fā)（burst）”概率和持續(xù)時(shí)間均出現(xiàn)了顯著增長。這說明，主動(dòng)且真實(shí)的腦機(jī)接口控制訓(xùn)練，是促使感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域振蕩活動(dòng)發(fā)生系統(tǒng)性改變的必要條件。

Fig 1. 腦機(jī)接口神經(jīng)反饋訓(xùn)練任務(wù)范式與參與者對(duì)感覺運(yùn)動(dòng)振蕩的自主調(diào)控效果。

Fig 2. 真實(shí)反饋組在感覺運(yùn)動(dòng)皮層（S1與SMA）中表現(xiàn)出顯著的Alpha頻段爆發(fā)特征（概率與持續(xù)時(shí)間）調(diào)制。

僅僅觀察局部的感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律是不夠的。為了探究在“切換指令”的瞬間大腦到底發(fā)生了什么，研究者引入了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的隱馬爾可夫模型（HMM）來分析全腦的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

分析揭示，當(dāng)參與者在運(yùn)動(dòng)想象和放松之間進(jìn)行切換時(shí)，大腦并非只在局部皮層做出反應(yīng)，而是卷入了大規(guī)模的、具有特定頻譜結(jié)構(gòu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在指令切換的瞬間，內(nèi)側(cè)額葉皮層表現(xiàn)出了更強(qiáng)的跨區(qū)域相位耦合（phase coupling），以及更陡峭的寬帶頻譜斜率（即非周期性指數(shù)增加）。這種非周期性活動(dòng)的改變，通常被認(rèn)為反映了局部興奮與抑制平衡的動(dòng)態(tài)變化。這意味著，自主切換皮層狀態(tài)的過程，實(shí)際上調(diào)用了額葉自上而下的抑制性控制網(wǎng)絡(luò)。

Fig 3. 基于隱馬爾可夫模型（HMM）揭示的指令切換瞬間全腦大尺度相位耦合與非周期性頻譜特征的變化。

這項(xiàng)研究最關(guān)鍵的落腳點(diǎn)在于“泛化（generalization）”。如果腦機(jī)接口訓(xùn)練只能讓參與者在看著屏幕時(shí)控制腦電，那它的應(yīng)用價(jià)值將大打折扣。

研究者在沒有實(shí)時(shí)反饋的“開環(huán)”條件（僅給指令）下測(cè)試了參與者，發(fā)現(xiàn)真實(shí)組依然能夠表現(xiàn)出訓(xùn)練習(xí)得的神經(jīng)動(dòng)態(tài)特征。更重要的是，在隨后的改良版簡單反應(yīng)時(shí)任務(wù)中（要求參與者聽到提示后迅速收縮肌肉，隨后迅速放松），真實(shí)組在肌肉收縮和肌肉放松兩個(gè)階段的反應(yīng)時(shí)間都得到了顯著縮短。這直接證明了，通過腦機(jī)接口習(xí)得的、對(duì)大腦皮層狀態(tài)的快速切換能力，能夠成功遷移到真實(shí)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行中，從而提升行為的靈活性。

Fig 4. 腦機(jī)接口訓(xùn)練對(duì)無反饋（開環(huán)）條件及真實(shí)肌肉收縮/放松任務(wù)反應(yīng)時(shí)的泛化提升效果。

研究意義

這項(xiàng)工作在理論和應(yīng)用層面都推進(jìn)了我們對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的理解。

在理論層面，它首次明確證明了人類可以對(duì)大腦皮層的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行自上而下的自主控制。這種控制不僅涉及局部感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律的改變，還依賴于全腦尺度的興奮-抑制狀態(tài)的快速重組。這表明，腦機(jī)接口控制與人類自然狀態(tài)下的靈活運(yùn)動(dòng)控制，共享著底層的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

在應(yīng)用與方法學(xué)層面，這項(xiàng)研究為“運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練”提供了堅(jiān)實(shí)的神經(jīng)生理學(xué)證據(jù)。它解釋了為什么在體育競(jìng)技、中風(fēng)康復(fù)或樂器練習(xí)中，純粹的“心理練習(xí)（mental practice）”能夠有效改善真實(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)——因?yàn)檫@種結(jié)合了神經(jīng)反饋的心理練習(xí)，在全腦尺度上精準(zhǔn)模擬并強(qiáng)化了真實(shí)動(dòng)作所需的神經(jīng)動(dòng)態(tài)過程。此外，研究中假刺激組的表現(xiàn)也提醒領(lǐng)域內(nèi)同行，在設(shè)計(jì)神經(jīng)反饋對(duì)照實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要謹(jǐn)慎評(píng)估“無效反饋”可能給參與者帶來的挫敗感及對(duì)其行為表現(xiàn)的潛在干擾。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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