迈向由意念控制的假肢：虚拟任务揭示大脑如何重新校准运动

当我们用手去抓球、用眼看屏幕、去操作鼠标时，脑中并不是简单按下一个“发送命令”按钮，而是在极短时间内完成规划、预测、调整与执行一连串复杂动作。对于使用脑–机接口（BCI）控制外部设备的人或动物而言，这一过程更加复杂：大脑不仅要“发出”动作信号，还要实时校正，因为机器的反馈机制与我们熟悉的身体动作存在偏差。

最近，来自德国灵长类动物研究中心（DPZ）等机构的团队在《PLOS Biology》发表了这篇文章：在猕猴 BCI 学习过程中，他们发现，额叶和顶叶这两大脑区在学习控制光标的任务中，不仅编码视觉反馈，也更精确反映“大脑适应后的动作命令”——换句话说，当大脑学会“控制机器”时，这两个区域一起参与了新的动作规划，且顶叶的参与比先前认为的“仅仅整合感知”要更主动。研究提示，脑–机接口的设计与训练或许应更加贴近大脑的适应机制。

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从身体动作到 BCI控制，适应机制值得深挖

RESEARCH INTRODUCTION

想象你以前用鼠标控制电脑，现在被要求用意念控制一个光标。起初你可能会完全控制不好，因为脑—机系统的反馈与你熟悉的身体感觉不同。大脑需要适应：重新调整规划、修正命令，与传统身体动作不同。这种适应，正是“运动学习”研究的核心。然而，在 BCI 环境下，我们更能清晰观察大脑如何在“未知—反馈—修正”循环中改写命令模式。此前，经典观点认为：顶叶皮层主要负责整合视觉／体感信息，并将其转换为动作预测；而额叶皮层则负责决策与执行命令。但是，在本研究中，研究者提出：在 BCI 学习情境中，两区都在“编码适应后”的动作命令（而不仅仅原始视觉反馈）中发挥关键作用。

这对于脑–机接口意义深远——我们需要理解的不只是如何“读取意图”，更是大脑如何“重新调整意图”去适应新型控制机制。也就是说，我们要向大脑学习：它不仅输出“我要做A”的信号，也能不断更新“我这样做A→机器响应B→我要改成C”的策略。

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猕猴 BCI 学习任务揭示额顶叶编码重塑

RESEARCH METHOD

在这项研究中，研究者使用了两只猕猴，并植入了多个神经记录电极，分别覆盖额叶和顶叶区域。实验设计如下：猴子通过意念控制光标在三维虚拟环境中移动。研究团队刻意引入一种扰动：将视觉反馈（光标运动）与原始脑信号之间的映射关系改变（例如旋转坐标、偏离期望方向），迫使猴子不断调整其意图命令。研究者在学习初期与适应后分别记录神经活动，以观察额叶／顶叶皮层如何在准备（planning）和执行（execution）阶段发生变化。

3D 虚拟现实 (VR) 任务的实验设置和解码方案

在准备阶段，两区的神经活动更强烈地反映的是“修正后的运动命令”而非视觉反馈本身。这说明大脑已经将“我意图这样做”的信号调整为“我要这样做，以应对反馈偏差”。在执行阶段，尽管反馈仍然存在扰动，额叶与顶叶神经群的活动继续反映适应后的动作命令，而不仅是对视觉／体感反馈的被动反应。值得注意的是，顶叶皮层的参与程度之高超出了传统认为它仅整合感知的角色：它实际上与额叶一起参与新命令的规划和调整。更具体地说，额叶地区对适应后的命令传递和执行的映射更强，而顶叶的信号则体现了这一适应命令在更大范围神经网络中的重分布与协作。整体来看，研究发现一个“跨大范围的前–顶叶网络（frontoparietal network）”被动员起来，来支持 BCI 学习过程中的命令调整，而不是局限于单一区域的局部重塑。

这些发现有两个关键含义：其一，适应后的运动命令在大脑中被编码为新的固定模式，而不是不断改变；其二，大脑在适应 BCI 控制时并不需要全新建立通路，而是利用已有网络、自主调整命令输出。

实验范式和 BCI 适应

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向大脑学习—BCI训练与系统设计的新范本

RESEARCH SIGNIFICANCE

这个研究对脑–机接口领域具有多重意义。首先，它揭示了大脑如何在面对非传统控制机制（如 BCI）时，依靠前顶叶网络协同调整动作命令，而不仅仅是单纯依赖感知反馈。这提醒我们：BCI 的训练应当关注的不仅是“意念控制”本身，更是“意念—反馈—修正”循环的优化。换言之，训练方案可以更有针对性地促使使用者大脑启动调适机制，而不仅仅给予静态意图任务。

其次，这项研究为未来 BCI 系统设计提供方向：系统设计可以更多地参考大脑学习机制，比如在算法中引入“扰动—调整”机制，刺激使用者大脑启动适应过程，从而更快掌握控制。因为研究中显示，大脑面对扰动会启动一个前–顶叶网络来重编码命令，这正是我们可以利用的生物启发。

最后，从“向大脑学习”的视角看，这项研究体现了一个核心理念：大脑并不总是直接遵循初始命令，而是在执行过程中根据反馈不断修正并最终固定新的命令输出。在设计脑–机接口、机器人控制系统、甚至类脑人工智能系统时，我们或许应当模仿这一机制——不是让系统从零开始，而是让系统在“拟扰—修正—固化”循环中迅速适应。

总而言之，这项研究让我们更清晰地看到：大脑在学习如何用意念控制机器时，前额叶与顶叶并肩作战，一起塑造命令、调整反馈、实现控制。对于未来的脑机接口来说，这不仅是科学研究的里程碑，也是技术发展的一盏明灯。

来源：PLOS Biology

论文DOI：10.1371/journal.pbio.3003408