腦機啟偵|每周一篇輕百科—聚焦超聲：腦機接口技術里的重要分支

想象一下：一位因脊髓損傷而無法言語的患者，戴上一頂輕便的“頭盔”，只需集中注意力思考，就能通過屏幕拼寫出完整的句子；或者，一位慢性疼痛患者無需開顱手術，僅靠聲波“輕觸”大腦深層，就能顯著緩解病痛。

這不是科幻電影的情節，而是當下非侵入式腦機接口（Brain-Computer Interface簡稱BCI）技術正在快速演進的現實。其中，聚焦超聲技術作為新興重要分支，正以其獨特的“讀寫”能力，打破傳統非侵入式BCI的瓶頸，展現出巨大潛力。

非侵入式BCI

腦機接口的核心是將大腦神經活動轉化為外部指令，實現“意念控制”。

傳統上，BCI分為侵入式（如Neuralink植入電極）和非侵入式兩大類。侵入式雖信號精準，但需開顱手術，存在感染、排異等風險，適用人群有限。非侵入式則無需手術，更安全、成本低、易推廣，已在康復、溝通、娛樂等領域初露鋒芒。傳統非侵入式BCI主要依賴腦電圖（EEG）：用戶戴上布滿電極的頭帽，通過捕捉頭皮表面的電信號，實現拼寫、控制機械臂等。但EEG信號弱、空間分辨率低（厘米級），易受肌肉活動、眨眼等噪聲干擾，解碼準確率往往徘徊在70%-80%，難以支持復雜任務。功能近紅外光譜（fNIRS）雖能測血氧變化，但時間分辨率有限。

如何突破這些局限？聚焦超聲技術應運而生，它利用高頻聲波（通常20kHz以上，人耳聽不到）穿透顱骨，實現對大腦的精準“讀”與“寫”

超聲波如何“對話”大腦？

超聲波在醫學中早已用于成像（如B超），但應用于BCI是近年突破。低強度經顱聚焦超聲（transcranial focused ultrasound，tFUS或LIFU）是核心技術：通過相控陣換能器（多個小超聲源協同），將聲波精準聚焦于大腦特定區域，直徑可達毫米級，甚至亞毫米。聲波穿透顱骨后，在目標區產生機械壓力，影響神經元細胞膜上的離子通道（如TRP通道、電壓門控通道），從而興奮或抑制神經活動，而不產生熱損傷或永久改變。

這種“寫”入能力精準且可逆：短時刺激可提升局部神經興奮性，長時刺激則可調控功能連接。機制研究顯示，tFUS還能影響血腦屏障（短暫打開，便于藥物遞送）、促進神經可塑性，甚至調節深層結構如杏仁核或海馬，而傳統EEG或經顱磁刺激（TMS）難以觸及。

更令人興奮的是“讀”腦功能——功能性超聲成像（functional ultrasound imaging，fUS）。它通過超快多普勒成像，捕捉神經活動引發的微血管血流變化（血流動力學響應），空間分辨率可達50-100微米（接近單個神經元尺度），時間分辨率達幾十毫秒，遠超EEG的厘米級和fMRI的秒級延遲。在動物實驗中，fUS已成功解碼運動意圖；在人類研究中，通過透明顱骨替代材料或優化算法，也正向非侵入邁進。Caltech等團隊證明，fUS能實時“閱讀”大腦運動計劃，延遲極低，為在線BCI奠基。

最新突破：超聲“預熱”EEG

2024年，美國卡內基梅隆大學Bin He團隊在《Nature Communications》發表重磅研究，首次將tFUS與EEG-BCI融合，實現雙向功能。25名健康受試者戴EEG帽，使用經典6×6拼寫器（通過注視字母產生P300電位）拼寫短語如“卡內基梅隆”。研究人員在任務前用tFUS聚焦視覺皮層V5區（負責運動視覺處理）——一個傳統EEG難以精準調控的區域。

結果驚人：加入tFUS后，拼寫錯誤率顯著降低，BCI性能提升明顯。腦電源成像（ESI）顯示，tFUS增強了θ波（4-8Hz）振蕩，提升了特征-based注意力（對視覺運動的專注），并沿背側視覺通路向下游傳播。這相當于“預熱”大腦，讓EEG信號更清晰、更易解碼。相比純EEG或sham刺激（假超聲，僅發出聲音），效果具統計顯著性。該研究證明，超聲不只是輔助，而是主動優化神經回路，開啟了非侵入式BCI的“閉環”時代。

類似進展層出不窮，中國團隊也不落人后。國內機構利用超聲診療一體化裝置，實現精準打開血腦屏障輔助腫瘤治療；初創企業開發“頭盔式”非侵入超聲BCI，針對慢性疼痛、中風康復、阿爾茨海默病等，臨床試驗顯示疼痛可降50%以上，效果持續數周。國際上，Merge Labs（獲OpenAI支持）等公司正推進超聲+AI解碼，目標是全腦覆蓋、無創高帶寬接口。

優勢顯著，挑戰仍存

超聲BCI的優勢顯而易見：

■ 非侵入與安全性：無需手術，低強度下副作用罕見（FDA已批準部分tFUS臨床）。

■ 高精度與深度：可靶向任意腦區，包括EEG無法企及的深部核團。

■ 雙向潛力：fUS“讀”+tFUS“寫”，形成閉環，結合AI可實現實時意念控制。

■ 可穿戴化：未來或演變為輕便頭盔，用戶在家使用，成本遠低于植入式。

■ 多適應癥：除溝通外，還可治療癲癇、抑郁、帕金森，甚至輔助藥物遞送。

但挑戰也依然存在：

■ 技術尚處早期。

■ 顱骨厚度、密度因人而異，會導致聲波散射，需個性化成像（如MRI引導）校準。

■ 分辨率隨深度略降，長期安全性需更多數據驗證。

■ 設備目前較笨重，實時處理海量數據也依賴算力。

■ 倫理問題不容忽視，意念隱私、誤用風險等需法規先行。

展望：超聲開啟“數字顱骨”時代

隨著相控陣小型化、AI算法優化和多模態融合（超聲+EEG+fNIRS），超聲BCI有望在5-10年內進入臨床主流。試想：癱瘓患者用意念駕駛輪椅；失語者“想”出語音；抑郁患者通過家庭頭盔調節情緒回路；甚至健康人用它增強專注力或學習能力。中國在臨床資源、政策支持和工程能力上的優勢，或將引領這一賽道“并跑乃至領跑”。

聚焦超聲正從“重要分支”成長為非侵入式BCI的脊梁。它提醒我們：科技進步無需以侵入身體為代價，聲波的溫柔觸碰，就能連接心靈與世界。未來，當你戴上那頂“聲波頭盔”，或許會感慨——人類與機器的界限，從未如此親近，卻又如此自然。

來源 | 神經調控與腦機接口

腦機輕百科，每周一期

下期你想了解哪個腦機人物或基礎概念？

歡迎留言告訴我們。

浙大科技園啟真腦機智能產業化基地是在浙大控股集團領導下，由浙江大學科技園發展有限公司與杭州未來科技城管委會共建，圍繞腦機智能產業主體，輻射腦機+生命健康、腦機+智能制造、腦機+新一代信息技術、腦機+新材料等領域的專業化特色產業基地，由杭州啟真未來科技發展有限公司負責全面運營。

基地依托浙江大學在腦機智能方面的學科優勢，以腦機智能作為核心科技支撐，貫徹浙江大學國家大學科技園“有組織科技成果轉化、有靶向科技企業孵化、有體系未來產業培育”的服務體系，致力于打造腦機智能領域具備成果顯示度、區域影響力的產業化高地。