“倾听”心跳的脑机接口：基于心脑轴的闭环神经调控研究

在我们的传统观念里，大脑是发号施令的“司令部”，心脏则是忠实执行泵血任务的“发动机”。但事实上，这两个超级器官之间存在着一条双向的高速信息公路——心脑轴（heart-brain axis）[1,2]。

解剖学和生理学研究证实，心脏向大脑发送的神经信号，远比大脑向心脏发送的多。心脏不仅在跳动，它还在通过迷走神经等通路，每时每刻向大脑“汇报”着身体的内部状态。这种从身体内部传向大脑的信号（内感受），深刻地影响着我们的情绪、注意力和整体的认知功能。当这条“通信线路”出现故障时，往往会引发或加剧一系列问题，如抑郁（depression）、睡眠障碍（sleep disorders）以及各类认知障碍。

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当“心脑通信”遭遇干扰：迷雾中的大脑

如果这条心脑轴的高速公路发生“交通拥堵”或“信号中断”，会发生什么？

最直接的后果就是大脑网络失去节律，陷入混乱。在真实的临床与学术研究中，我们经常能观察到这种现象。例如，在经历了复杂手术（涉及麻醉深度对中枢神经的抑制）或是接受了化学治疗后，许多患者会出现记忆力下降、注意力无法集中的现象，学术界常称之为“化疗脑”或认知功能障碍。

过去，人们以为这纯粹是大脑单方面受损。但现在基于心脑轴的视角来看，这其实是“心脑通信”断线了。由于外力干扰，心脏传导给大脑的节律信号变得微弱或杂乱，大脑负责高级认知的前额叶皮层失去了来自心脏的稳定节律支撑，从而产生了一种“脑雾”感。

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如何破译与修复？心脑闭环脑机接口登场

既然问题出在“心脑通信”上，我们能否通过技术手段来修复它？

传统的脑机接口主要盯着头皮脑电（EEG）看，但脑电信号微弱且容易受到干扰。于是，研究者利用信号处理技术另辟蹊径：把心脏作为了解大脑、干预大脑的“超级接口”。这就是目前前沿的基于心电触发的闭环经皮耳迷走神经刺激（心脏门控taVNS）研究[3]，心脑轴与双向迷走神经解剖示意图如图1所示。

这种“心脑调节器”不再是盲目地电击大脑，而是通过多闭环调控，精准修复心脑轴的对话。

1、倾听心脏（信号提取）：设备通过贴在胸前的传感器或智能穿戴设备，高精度、实时地提取心电信号，利用复杂的信号处理算法捕捉心动周期的特定相位（如心脏收缩期）。

2、顺水推舟（精准刺激）：迷走神经在耳朵的耳甲艇区域有密集的分支。当系统监测到特定的心电相位时，会瞬间触发特制的“耳机”，向耳部迷走神经释放微弱的电脉冲。

3、心脑共振（重塑认知）：这些电脉冲伪装成心脏发出的健康信号，“搭乘”迷走神经这条顺风车逆流而上，直达大脑深处的孤束核，进而激活前额叶皮层，唤醒沉睡的认知网络。

心脑轴与双向迷走神经解剖示意图

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这种“心脑联合调控”效果如何？

相较于传统的非闭环刺激（即不管心脏跳动状态，持续给予刺激），这种完全尊重“心脑轴”自然节律的干预方式展现出了令人惊叹的效果。

1、认知提速：在针对伴有认知损伤风险人群的实验中，接受闭环心脑调控的受试者在复杂工作记忆测试中的反应时间显著缩短，准确率大幅提升。

2、心率变异性（HRV）恢复：设备的干预不仅改善了大脑功能，还反向增强了心脏的副交感神经活性，使得原本僵硬的心跳节律重新恢复了充满弹性的健康波动。

3、无缝融合：这种基于外周器官自然节律的干预，就像是顺着水流推舟，极大地减少了大脑的排斥反应和神经疲劳。

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结语：从“治脑”到“调心脑”

心脑轴的发现与相关研究，彻底改变了我们对大脑的认知。大脑绝不是一座孤岛。未来的脑器交互（BAC）技术，将更加注重这种身体内部的系统性对话。无论是对抗认知衰退，还是在手术麻醉等复杂场景下进行更精准的脑功能保护，倾听心脏的声音、顺应心脑轴的节律，将成为我们解锁人类大脑潜能、守护心身健康的关键钥匙。

本文介绍的“基于心脑轴的闭环神经调控研究”，正是《脑器交互：形神合一，天人相应，洞见生命新图景》一书中收录的百余篇前沿科普之一。

这本书由中古脑器交互实验室重磅推出，系统展示了从脑机接口（BCI）到脑器交互（BAC）的变革图景。全书分为四大板块：脑-器械/环境交互、脑-器官交互、脑机制与新技术交互、中国医学与脑器交互，以通俗生动的语言阐述脑与器械、环境、器官的多维交互机制。本书突破传统科普框架，将中国传统医学“形神合一”“天人相应”的智慧引入现代神经科学，为理解脑功能和治疗脑疾病开辟了新视角。

如果你对脑机接口、心身医学、神经调控或中医整体观与脑科学的交叉融合感兴趣，这本书将带你穿透神经迷雾，直击脑器交互的新图景。

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参考文献：

[1] Doehner W, Celutkiene J, Yilmaz M B, et al. Heart failure and the heart-brain axis [J]. QJM: An International Journal of Medicine, 2023, 116 (11): 897-902.

[2] Saeed A, Lopez O, Cohen A, et al. Cardiovascular disease and Alzheimer's disease: the heart-brain axis [J]. Journal of the American Heart Association, 2023, 12 (21): e030780.

[3] Ventura-Bort C, Weymar M. Transcutaneous auricular vagus nerve stimulation modulates the processing of interoceptive prediction error signals and their role in allostatic regulation [J]. Human Brain Mapping, 2024, 45 (3): e26613.

联系方式 刘燕冰，yanbingliu666@gmail.com；孟佳圆（通讯作者），mengjiayuan@tju.edu.cn；许敏鹏，xmp52637@tju.edu.cn。

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