想象一下：一位因脊髓損傷而無法言語(yǔ)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(shù)，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(jié)，而是當(dāng)下非侵入式腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface簡(jiǎn)稱BCI）技術(shù)正在快速演進(jìn)的現(xiàn)實(shí)。其中，聚焦超聲技術(shù)作為新興重要分支，正以其獨(dú)特的“讀寫”能力，打破傳統(tǒng)非侵入式BCI的瓶頸，展現(xiàn)出巨大潛力。

非侵入式BCI

腦機(jī)接口的核心是將大腦神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為外部指令，實(shí)現(xiàn)“意念控制”。

傳統(tǒng)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(hào)精準(zhǔn)，但需開顱手術(shù)，存在感染、排異等風(fēng)險(xiǎn)，適用人群有限。非侵入式則無需手術(shù)，更安全、成本低、易推廣，已在康復(fù)、溝通、娛樂等領(lǐng)域初露鋒芒。傳統(tǒng)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(hào)，實(shí)現(xiàn)拼寫、控制機(jī)械臂等。但EEG信號(hào)弱、空間分辨率低（厘米級(jí)），易受肌肉活動(dòng)、眨眼等噪聲干擾，解碼準(zhǔn)確率往往徘徊在70%-80%，難以支持復(fù)雜任務(wù)。功能近紅外光譜（fNIRS）雖能測(cè)血氧變化，但時(shí)間分辨率有限。

如何突破這些局限？聚焦超聲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它利用高頻聲波（通常20kHz以上，人耳聽不到）穿透顱骨，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的精準(zhǔn)“讀”與“寫”

超聲波如何“對(duì)話”大腦？

超聲波在醫(yī)學(xué)中早已用于成像（如B超），但應(yīng)用于BCI是近年突破。低強(qiáng)度經(jīng)顱聚焦超聲（transcranial focused ultrasound，tFUS或LIFU）是核心技術(shù)：通過相控陣換能器（多個(gè)小超聲源協(xié)同），將聲波精準(zhǔn)聚焦于大腦特定區(qū)域，直徑可達(dá)毫米級(jí)，甚至亞毫米。聲波穿透顱骨后，在目標(biāo)區(qū)產(chǎn)生機(jī)械壓力，影響神經(jīng)元細(xì)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(jīng)活動(dòng)，而不產(chǎn)生熱損傷或永久改變。

這種“寫”入能力精準(zhǔn)且可逆：短時(shí)刺激可提升局部神經(jīng)興奮性，長(zhǎng)時(shí)刺激則可調(diào)控功能連接。機(jī)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(jìn)神經(jīng)可塑性，甚至調(diào)節(jié)深層結(jié)構(gòu)如杏仁核或海馬，而傳統(tǒng)EEG或經(jīng)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(jīng)活動(dòng)引發(fā)的微血管血流變化（血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)），空間分辨率可達(dá)50-100微米（接近單個(gè)神經(jīng)元尺度），時(shí)間分辨率達(dá)幾十毫秒，遠(yuǎn)超EEG的厘米級(jí)和fMRI的秒級(jí)延遲。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，fUS已成功解碼運(yùn)動(dòng)意圖；在人類研究中，通過透明顱骨替代材料或優(yōu)化算法，也正向非侵入邁進(jìn)。Caltech等團(tuán)隊(duì)證明，fUS能實(shí)時(shí)“閱讀”大腦運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，延遲極低，為在線BCI奠基。

最新突破：超聲“預(yù)熱”EEG

2024年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Bin He團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表重磅研究，首次將tFUS與EEG-BCI融合，實(shí)現(xiàn)雙向功能。25名健康受試者戴EEG帽，使用經(jīng)典6×6拼寫器（通過注視字母產(chǎn)生P300電位）拼寫短語(yǔ)如“卡內(nèi)基梅隆”。研究人員在任務(wù)前用tFUS聚焦視覺皮層V5區(qū)（負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)視覺處理）——一個(gè)傳統(tǒng)EEG難以精準(zhǔn)調(diào)控的區(qū)域。

結(jié)果驚人：加入tFUS后，拼寫錯(cuò)誤率顯著降低，BCI性能提升明顯。腦電源成像（ESI）顯示，tFUS增強(qiáng)了θ波（4-8Hz）振蕩，提升了特征-based注意力（對(duì)視覺運(yùn)動(dòng)的專注），并沿背側(cè)視覺通路向下游傳播。這相當(dāng)于“預(yù)熱”大腦，讓EEG信號(hào)更清晰、更易解碼。相比純EEG或sham刺激（假超聲，僅發(fā)出聲音），效果具統(tǒng)計(jì)顯著性。該研究證明，超聲不只是輔助，而是主動(dòng)優(yōu)化神經(jīng)回路，開啟了非侵入式BCI的“閉環(huán)”時(shí)代。

類似進(jìn)展層出不窮，中國(guó)團(tuán)隊(duì)也不落人后。國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)利用超聲診療一體化裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打開血腦屏障輔助腫瘤治療；初創(chuàng)企業(yè)開發(fā)“頭盔式”非侵入超聲BCI，針對(duì)慢性疼痛、中風(fēng)康復(fù)、阿爾茨海默病等，臨床試驗(yàn)顯示疼痛可降50%以上，效果持續(xù)數(shù)周。國(guó)際上，Merge Labs（獲OpenAI支持）等公司正推進(jìn)超聲+AI解碼，目標(biāo)是全腦覆蓋、無創(chuàng)高帶寬接口。

優(yōu)勢(shì)顯著，挑戰(zhàn)仍存

超聲BCI的優(yōu)勢(shì)顯而易見：

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

■ 高精度與深度：可靶向任意腦區(qū)，包括EEG無法企及的深部核團(tuán)。

■ 雙向潛力：fUS“讀”+tFUS“寫”，形成閉環(huán)，結(jié)合AI可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)意念控制。

■ 可穿戴化：未來或演變?yōu)檩p便頭盔，用戶在家使用，成本遠(yuǎn)低于植入式。

■ 多適應(yīng)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(zhàn)也依然存在：

■ 技術(shù)尚處早期。

■ 顱骨厚度、密度因人而異，會(huì)導(dǎo)致聲波散射，需個(gè)性化成像（如MRI引導(dǎo)）校準(zhǔn)。

■ 分辨率隨深度略降，長(zhǎng)期安全性需更多數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

■ 設(shè)備目前較笨重，實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)也依賴算力。

■ 倫理問題不容忽視，意念隱私、誤用風(fēng)險(xiǎn)等需法規(guī)先行。

展望：超聲開啟“數(shù)字顱骨”時(shí)代

隨著相控陣小型化、AI算法優(yōu)化和多模態(tài)融合（超聲+EEG+fNIRS），超聲BCI有望在5-10年內(nèi)進(jìn)入臨床主流。試想：癱瘓患者用意念駕駛輪椅；失語(yǔ)者“想”出語(yǔ)音；抑郁患者通過家庭頭盔調(diào)節(jié)情緒回路；甚至健康人用它增強(qiáng)專注力或?qū)W習(xí)能力。中國(guó)在臨床資源、政策支持和工程能力上的優(yōu)勢(shì)，或?qū)⒁I(lǐng)這一賽道“并跑乃至領(lǐng)跑”。

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

來源 | 神經(jīng)調(diào)控與腦機(jī)接口

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