Science Advances | 腦機(jī)接口從二維進(jìn)入三維，獼猴在VR中用腦導(dǎo)航

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基本信息

Title:Intracortical brain-computer interface for navigation in virtual reality in macaque monkeys

發(fā)表時(shí)間:2026-04-15

發(fā)表期刊:Science Advances

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引言

過去十多年里，腦機(jī)接口（brain-computer interface, BCI）已經(jīng)在多個(gè)方向證明了自身潛力：它可以控制屏幕光標(biāo)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂、支持交流，甚至幫助恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能。但如果把問題從實(shí)驗(yàn)室演示推進(jìn)到真實(shí)生活，難度會(huì)立刻升級(jí)。現(xiàn)實(shí)中的移動(dòng)控制不是把一個(gè)點(diǎn)送到固定目標(biāo)那么簡(jiǎn)單，而是在連續(xù)變化的空間里不斷修正方向、適應(yīng)視角變化、繞開障礙，并在目標(biāo)突然變化時(shí)迅速調(diào)整策略。對(duì)于重度癱瘓者而言，這類能力比“會(huì)不會(huì)點(diǎn)光標(biāo)”更接近真正有用的輔助功能，例如輪椅導(dǎo)航或復(fù)雜環(huán)境中的自主移動(dòng)。

這篇發(fā)表于《Science Advances》的研究正是瞄準(zhǔn)這一空白。作者開發(fā)了一套皮層內(nèi)腦機(jī)接口（intracortical BCI, iBCI），同時(shí)讀取獼猴初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）、背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層（PMd）和腹側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層（PMv）的神經(jīng)活動(dòng)，在帶有立體視覺和動(dòng)態(tài)攝像機(jī)追蹤的三維虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality, VR）環(huán)境中，實(shí)時(shí)解碼連續(xù)速度，控制球體或化身完成導(dǎo)航。與許多依賴主動(dòng)動(dòng)作訓(xùn)練、頻繁校準(zhǔn)或任務(wù)專用解碼器的既往工作不同，這項(xiàng)研究特別強(qiáng)調(diào)接近癱瘓患者使用情境：解碼器只用一次約7分鐘的被動(dòng)觀察階段建立，在線控制時(shí)盡量不重訓(xùn)，轉(zhuǎn)而檢驗(yàn)固定解碼器在多種任務(wù)中的泛化能力，以及動(dòng)物是否能通過閉環(huán)反饋逐步適應(yīng)系統(tǒng)。論文因此不僅在問“能否控制”，還在問“能否在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不可預(yù)測(cè)的環(huán)境里持續(xù)而靈活地控制”。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法邏輯

研究在3只雄性恒河猴中進(jìn)行，植入U(xiǎn)tah陣列記錄M1、PMd和PMv活動(dòng)。每次實(shí)驗(yàn)采用統(tǒng)一三階段流程：先進(jìn)行被動(dòng)注視，由Unity系統(tǒng)自動(dòng)控制虛擬物體運(yùn)動(dòng)；再將這一階段的神經(jīng)活動(dòng)與對(duì)應(yīng)速度信號(hào)用于訓(xùn)練解碼器；最后進(jìn)入在線解碼，由神經(jīng)信號(hào)實(shí)時(shí)控制VR中的球體或猴子化身。解碼器基于PSID框架的在線閉環(huán)擴(kuò)展，并結(jié)合非線性回歸，以50毫秒時(shí)間窗輸出連續(xù)速度。

核心發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)一：固定解碼器已足以支撐多類VR導(dǎo)航，且整體表現(xiàn)顯著高于隨機(jī)水平

論文首先證明，這套系統(tǒng)并非只能完成簡(jiǎn)化控制，而是能在多種導(dǎo)航任務(wù)中穩(wěn)定工作。Figure 1A、1B與Table 1顯示，三只獼猴在二維Center-Out和Continuous Navigation任務(wù)中，從記錄早期就顯著高于機(jī)會(huì)水平，個(gè)別會(huì)話成功率最高達(dá)96%。其中Continuous Navigation普遍比Center-Out低4%到13%，與動(dòng)態(tài)攝像機(jī)追蹤帶來的額外難度一致。

Figure 1. BCI control performance and flexibility across tasks and conditions

發(fā)現(xiàn)二：短時(shí)被動(dòng)觀察訓(xùn)練出的解碼器，具備跨任務(wù)、跨目標(biāo)、跨環(huán)境與跨視角泛化能力

這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵價(jià)值，不在于為每個(gè)任務(wù)分別訓(xùn)練解碼器，而在于用一個(gè)短時(shí)被動(dòng)觀察得到的固定模型，去應(yīng)對(duì)多種在線場(chǎng)景。論文在Figure 1D、1E以及Table 1中展示，同一個(gè)解碼器可直接用于Center-Out、Respawn和Obstacle等不同任務(wù)，無需重新校準(zhǔn)或重訓(xùn)練。補(bǔ)充圖fig. S3進(jìn)一步說明，它不僅適用于訓(xùn)練中出現(xiàn)過的左、中、右目標(biāo)，對(duì)未納入訓(xùn)練的新目標(biāo)位置也能保持與預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)相當(dāng)、甚至更高的成功率。

發(fā)現(xiàn)三：前運(yùn)動(dòng)皮層，尤其PMv與PMd組合，對(duì)解碼貢獻(xiàn)更突出，且真實(shí)閉環(huán)在線表現(xiàn)優(yōu)于離線回放

為了回答“哪些腦區(qū)最關(guān)鍵”，作者在具備三個(gè)腦區(qū)有效放電的兩只猴中做了離線比較。Figure 2A、2B顯示，在Center-Out和Continuous Navigation任務(wù)里，PMv和PMd單獨(dú)使用時(shí)總體優(yōu)于M1，而PMv+PMd組合通常是表現(xiàn)最好的雙區(qū)配置，并在多項(xiàng)比較中顯著優(yōu)于包含M1的其他組合。Figure 2C則進(jìn)一步給出另一個(gè)重要信息：無論是PMv+PMd、全腦區(qū)“All”，還是使用全部通道的“Online Simulation”，其離線表現(xiàn)都持續(xù)低于真實(shí)在線閉環(huán)表現(xiàn)。

Figure 2. Offline decoding performance across cortical regions and configurations, compared to both offline simulation and actual closed--loop online perfor-mance

發(fā)現(xiàn)四：軌跡層面的方向修正與低肌電、低眼動(dòng)相關(guān)性，共同支持解碼主要反映神經(jīng)控制

成功率只能說明“是否到達(dá)”，還不能說明控制是否連續(xù)、靈活且具有任務(wù)針對(duì)性。Figure 3因此很重要：它展示了猴子究竟“怎么到達(dá)”。在3D Center-Out中，F(xiàn)igure 3A顯示上下目標(biāo)對(duì)應(yīng)的終點(diǎn)坐標(biāo)分布顯著分離，說明第三維控制并非隨機(jī)波動(dòng)。Respawn任務(wù)中，F(xiàn)igure 3B、3C顯示目標(biāo)改變后軌跡會(huì)重新轉(zhuǎn)向，平均反應(yīng)時(shí)間為Monkey 2的661毫秒、Monkey 3的1058毫秒。

Figure 3. Trajectory analysis of the three supplementary tasks for Monkeys 2 and 3

Figure 4. Implantation site and experimental setup

歸納總結(jié)和點(diǎn)評(píng)

這項(xiàng)研究最突出的貢獻(xiàn)，不是把經(jīng)典腦機(jī)接口任務(wù)做得更復(fù)雜一點(diǎn)，而是把“腦控”從二維、靜態(tài)、任務(wù)專用的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景推進(jìn)到更接近真實(shí)移動(dòng)需求的三維、連續(xù)、動(dòng)態(tài)閉環(huán)環(huán)境中：用短時(shí)被動(dòng)觀察訓(xùn)練出的固定解碼器，支持獼猴完成導(dǎo)航、目標(biāo)突變修正、避障以及跨環(huán)境和跨視角控制，并進(jìn)一步用腦區(qū)分析、軌跡證據(jù)和在線優(yōu)于離線的結(jié)果，補(bǔ)足了其工作機(jī)制上的說服力。尤其值得注意的是，前運(yùn)動(dòng)皮層在這類導(dǎo)航式控制中的突出作用，以及閉環(huán)互動(dòng)和神經(jīng)適應(yīng)對(duì)性能的決定性意義，這為面向癱瘓患者的導(dǎo)航式iBCI提供了明確的方法學(xué)啟發(fā)。不過，論文的邊界同樣清楚：研究對(duì)象仍是3只獼猴，任務(wù)發(fā)生在作者設(shè)計(jì)的VR框架內(nèi)，泛化也主要限于連續(xù)速度控制這一類相近行為，因此距離長(zhǎng)期、家庭化、臨床級(jí)應(yīng)用，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和更廣泛環(huán)境中的泛化上限。

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