從神經(jīng)節(jié)律到腦機(jī)帶寬：北大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合芯生視界揭示言語(yǔ)處理速度的腦內(nèi)調(diào)控機(jī)制

一項(xiàng)發(fā)表于 PNAS 的研究從大腦內(nèi)在時(shí)間采樣機(jī)制出發(fā)，為高帶寬腦機(jī)接口提供新的神經(jīng)科學(xué)依據(jù)與轉(zhuǎn)化線索

腦機(jī)接口的發(fā)展正在從單一的“通道數(shù)競(jìng)爭(zhēng)”，逐步走向?qū)Υ竽X自身計(jì)算規(guī)律的系統(tǒng)理解。對(duì)于高帶寬人機(jī)交互而言，外部設(shè)備能夠輸入多少信息固然重要，但大腦以何種時(shí)間尺度整合、分段并解釋這些信息，同樣決定了信息能否被有效利用。

近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院方方教授團(tuán)隊(duì)、王茜副研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院心理研究所、首都醫(yī)科大學(xué)三博腦科醫(yī)院及腦機(jī)接口企業(yè)芯生視界（北京）科技有限公司，在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表研究，圍繞“人類(lèi)言語(yǔ)處理速度是否受大腦內(nèi)在節(jié)律約束”這一關(guān)鍵問(wèn)題，給出了多層級(jí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

研究顯示，左側(cè)聽(tīng)覺(jué)皮層的 α 節(jié)律與高速語(yǔ)音識(shí)別能力密切相關(guān)，并可能構(gòu)成限制言語(yǔ)信息加工速度的重要神經(jīng)機(jī)制。換言之，人腦處理外界信息的“帶寬”并不只取決于輸入端的物理通道，也受到腦內(nèi)時(shí)間采樣節(jié)律的約束。

01

帶寬瓶頸不只是“輸入端”問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)，腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)Α皫挕钡挠懻摚性陔姌O數(shù)量、信號(hào)采樣率、編碼精度和刺激通道密度等工程參數(shù)上。這些指標(biāo)對(duì)于植入式腦機(jī)接口，尤其是面向感覺(jué)重建和運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)，具有不可替代的基礎(chǔ)意義。

但該研究進(jìn)一步指出，外部通道擴(kuò)容并不能完整解釋人腦信息處理能力的上限。大腦并非被動(dòng)接收連續(xù)信息流，而是以特定時(shí)間窗口對(duì)外界輸入進(jìn)行離散化整合。落入同一節(jié)律周期內(nèi)的信息，可能被大腦組織為同一個(gè)感知事件；節(jié)律周期越短，單位時(shí)間內(nèi)可區(qū)分和編碼的信息片段越多。

在言語(yǔ)加工中，這一問(wèn)題尤其突出。當(dāng)語(yǔ)速超過(guò)個(gè)體可解析的時(shí)間尺度時(shí)，語(yǔ)音信息并不是簡(jiǎn)單“進(jìn)入大腦”即可被理解，而會(huì)在音節(jié)、音素和語(yǔ)義整合層面出現(xiàn)壓縮、混疊或丟失。因此，找到支配這一時(shí)間尺度的神經(jīng)變量，是理解生物智能帶寬上限的關(guān)鍵。

02

生視界參與推動(dòng)基礎(chǔ)機(jī)制與腦機(jī)接口轉(zhuǎn)化相連接

圍繞這一假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合心理物理測(cè)量、頭皮腦電、經(jīng)顱交流電刺激（tACS）以及顱內(nèi)電極記錄等方法，建立了從行為表型到神經(jīng)節(jié)律、再到因果調(diào)控的證據(jù)鏈。

結(jié)果顯示，個(gè)體的言語(yǔ)處理速度與左側(cè)聽(tīng)覺(jué)皮層 α 頻率存在穩(wěn)定關(guān)系。α 節(jié)律通常位于 8–12 Hz 范圍內(nèi)，可被視為大腦進(jìn)行時(shí)間采樣和事件分段的重要候選機(jī)制。節(jié)律頻率較快的個(gè)體，在高速語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)中表現(xiàn)出更高的處理能力。

圖1 左腦聽(tīng)覺(jué)皮層α頻率決定言語(yǔ)理解速度

更重要的是，研究并未停留在相關(guān)性層面。通過(guò)節(jié)律調(diào)控實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了改變左側(cè)聽(tīng)覺(jué)皮層相關(guān)節(jié)律狀態(tài)可以影響高速言語(yǔ)識(shí)別表現(xiàn)；結(jié)合顱內(nèi)電極記錄，研究還將這一機(jī)制定位到更接近皮層源頭的神經(jīng)活動(dòng)層面。這使該工作不僅提出了一個(gè)關(guān)于“腦內(nèi)時(shí)鐘”的理論模型，也提供了可實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的神經(jīng)調(diào)控路徑。

03

芯生視界參與推動(dòng)基礎(chǔ)機(jī)制與腦機(jī)接口轉(zhuǎn)化相連接

在這項(xiàng)研究的合作網(wǎng)絡(luò)中，芯生視界（北京）科技有限公司的參與尤為值得關(guān)注。作為聚焦視覺(jué)腦機(jī)接口與感知重建的硬科技企業(yè)，芯生視界并非僅作為后端轉(zhuǎn)化方出現(xiàn)，而是參與到基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題、神經(jīng)編碼機(jī)制和未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景的共同定義之中。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)信息，芯生視界科學(xué)家參與了該工作的核心研究過(guò)程，并在共同第一作者中占有重要位置。芯生視界醫(yī)療事務(wù)部徐娜博士表示，腦內(nèi)節(jié)律揭示了大腦接收、加工與整合信息的時(shí)間規(guī)律。將這些機(jī)制進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為刺激節(jié)律、多通道編碼和個(gè)體化訓(xùn)練策略，有助于推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)從單純追求“高帶寬寫(xiě)入”，向“順應(yīng)大腦認(rèn)知規(guī)律的高效交互”范式升級(jí)。這意味著，圍繞神經(jīng)節(jié)律、信息帶寬和感知重建的機(jī)制研究，已經(jīng)開(kāi)始與產(chǎn)業(yè)側(cè)對(duì)高通量腦機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)期需求發(fā)生更緊密的連接。

對(duì)于芯生視界而言，其在視皮層腦機(jī)接口、神經(jīng)數(shù)據(jù)積累、編碼解碼模型和刺激范式設(shè)計(jì)方面的技術(shù)布局，使其能夠從應(yīng)用端反向提出更具約束性的科學(xué)問(wèn)題：腦機(jī)接口不僅需要“寫(xiě)入”更多信息，更需要理解這些信息如何被大腦以可感知、可學(xué)習(xí)、可整合的方式接收。

圖2 面向人-機(jī)通訊帶寬增強(qiáng)的腦機(jī)接口研發(fā)新路線

因此，該研究的意義不應(yīng)被理解為對(duì)植入式腦機(jī)接口技術(shù)路線的替代，而是為包括視覺(jué)腦機(jī)接口在內(nèi)的高帶寬感知重建系統(tǒng)提供新的機(jī)制變量。未來(lái)，無(wú)論是優(yōu)化刺激節(jié)律、設(shè)計(jì)多通道編碼策略，還是提升人工視覺(jué)、人工聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)反饋的可解釋性，腦內(nèi)節(jié)律都可能成為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

04

從工程擴(kuò)容到機(jī)制驅(qū)動(dòng)的腦機(jī)接口設(shè)計(jì)

當(dāng)前，腦機(jī)接口領(lǐng)域正在同時(shí)推進(jìn)兩類(lèi)關(guān)鍵能力：一類(lèi)是工程層面的高通量采集與刺激，另一類(lèi)是神經(jīng)機(jī)制層面的精準(zhǔn)建模。前者決定系統(tǒng)能夠連接多少神經(jīng)元，后者決定這些連接是否真正轉(zhuǎn)化為可用的信息通道。

圖3帶寬增強(qiáng)范式與腦機(jī)接口未來(lái)技術(shù)

北大團(tuán)隊(duì)與合作單位的這項(xiàng)工作，將“帶寬”這一工程概念重新放回神經(jīng)系統(tǒng)自身的時(shí)間結(jié)構(gòu)之中。它提示我們，未來(lái)腦機(jī)接口的性能提升，不能只依賴(lài)電極數(shù)量和硬件密度，也需要將大腦內(nèi)在節(jié)律、區(qū)域特異性加工速度以及個(gè)體化神經(jīng)狀態(tài)納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

芯生視界的參與，則進(jìn)一步強(qiáng)化了這項(xiàng)研究的轉(zhuǎn)化指向：當(dāng)腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)界需要的不只是更復(fù)雜的硬件平臺(tái)，也包括能夠指導(dǎo)編碼、刺激和訓(xùn)練策略的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)模型。基礎(chǔ)研究與硬科技企業(yè)的協(xié)同，可能正是下一代高帶寬腦機(jī)接口走向臨床和應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵路徑。

從這個(gè)意義上看，這項(xiàng)研究的價(jià)值并不在于提出一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)替代方案，而在于揭示了一個(gè)更深層的原則：擴(kuò)展人腦與外部世界之間的信息交互能力，既要建設(shè)更高通量的接口，也要理解大腦自身如何組織時(shí)間、整合信息并形成感知。

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