Nat Neurosci重磅：首个实时脑机接口控制听觉系统证实可显著提升语音感知

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基本信息

Title:Real-time brain-controlled selective hearing enhances speech perception in multi-talker environments

发表时间:2026-05-11

发表期刊:Nature Neuroscience

影响因子:20.0

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研究背景

在嘈杂的餐厅或聚会中，我们的大脑能够毫不费力地锁定某个人的声音，同时过滤掉背景噪音，这就是著名的“鸡尾酒会效应”。然而对于听力受损的人群来说，这往往是最令人沮丧的场景。现有的助听器虽然能放大声音，但它们无法读懂听者的意图，只能将所有声音一股脑地放大，导致佩戴者在嘈杂环境中依然难以听清目标对话。

听觉注意力解码技术为解决这一痛点提供了新思路。它的核心理念是利用脑机接口读取听者的神经信号，判断他们正在关注谁，并选择性地放大那个人的声音。过去十年来，研究者在提升解码准确率上取得了长足进展，但一个最根本的问题始终悬而未决：一套实时运行的脑控听觉系统，真的能让听者听得更清楚、更轻松吗。

为了回答这个决定技术走向的关键问题，哥伦比亚大学的研究团队借助高分辨率的颅内脑电图，构建了一套实时的闭环听觉注意力解码系统，首次为脑控助听设备的感知益处提供了直接的行为学证据。

研究核心总结

一、实时脑控系统显著提升语音理解并降低听觉努力

研究者首先让植入电极的受试者聆听两个空间分离的对话。系统通过提取听觉皮层的高频和低频神经特征，实时重建听者正在关注的语音包络，并与环境中的声音进行比对。一旦锁定目标，系统就会动态放大被关注者的声音。

Fig 1. 实验范式与离线解码性能，展示了系统如何通过神经信号重建语音包络并据此调整目标说话者的音量。

在实时测试中，当系统在试验中途开启并介入音频控制后，受试者的听觉体验发生了质的改变。客观数据表明，受试者对目标语音的理解准确率显著提高。同时，瞳孔测量结果显示，在系统开启期间，受试者的瞳孔扩张幅度明显减小，这意味着他们用于分辨声音的认知负荷和听觉努力得到了有效缓解。绝大多数受试者在主观评价中也明确表示，他们更偏好系统开启时的聆听体验。

Fig 2. 实时闭环系统带来的感知益处，系统开启后不仅提升了目标声音的信掩比，还显著降低了代表认知负荷的瞳孔大小。

系统在运行过程中不可避免地会出现性能波动，研究者进一步探究了这种波动的来源及其后果。分析发现，系统的解码准确率与受试者自身的注意力投入程度密切相关。当受试者在任务中表现出走神或注意力不集中时，其神经信号的特征就会变得模糊，导致解码准确率下降。

Fig 3. 性能波动分析表明，用户的注意力追踪表现能够预测系统的解码准确率，而高准确率的解码直接提升了用户对系统的偏好。

更重要的是，这种解码保真度的微小波动会直接转化为用户的感知体验。单次试验的解码准确率越高，受试者越倾向于认为系统开启时的声音更好听。这说明追求高精度的神经解码不仅仅是一个工程指标，更是确保用户获得稳定、有益体验的核心前提。

三、系统能灵活追踪指令引导与自发的注意力切换

在真实的交流场景中，我们的注意力需要在不同说话者之间频繁切换。如果系统反应迟钝，放大错误的声音，反而会成为干扰。为此，研究者测试了系统应对注意力转移的能力。

Fig 4. 在指令引导的注意力切换任务中，系统能够迅速捕捉到受试者焦点的改变，并实时反转音频增益，增强新的目标声音。

当受试者根据视觉提示将注意力从一个人转移到另一个人时，系统成功追踪到了这一神经层面的焦点转移，并在几秒钟内平滑地调整了音量比例。更令人兴奋的是，即使没有任何外部提示，当受试者完全出于自身意愿在两个对话间自由切换时，系统依然能够敏锐地捕捉到这种内源性的注意力转移，并准确地调整音频输出。

Fig 5. 自发注意力切换测试证实，系统能够在没有外部提示的情况下，自然跟随听者内心的注意力转移并动态调整音量。

研究意义

这项研究将听觉注意力解码从一个停留在实验室里的理论概念，真正推进到了经过行为学验证的实用技术阶段。它不仅证明了实时脑控听觉系统能够切实改善嘈杂环境下的语音感知，还展示了系统在应对复杂、动态注意力切换时的灵活性。

从方法学上看，利用高保真颅内脑电图确立的性能上限，为未来开发非侵入式或微创式的可穿戴听觉脑机接口提供了关键的基准线。此外，研究团队还发现，将这套由正常听力者脑信号驱动的音频直接播放给听力受损人群时，后者同样获得了显著的语音理解提升。这一跨人群的泛化结果，极大地增强了脑控助听技术在临床转化和个性化辅助设备领域的应用前景。

分享人：饭鸽儿

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部

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