PNAS重磅：通过脑机接口训练，人类可以学会“秒切”大脑皮层状态|pnas|皮层|神经科学|脑机接口训练|脑电|节律

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基本信息

Title:Brain–computer interface–based neurofeedback training enables transferable control of cortical state switching in humans

发表时间:2026-4-10

发表期刊:PNAS

影响因子:9.1

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研究背景

人类拥有令人惊叹的行为灵活性，能够根据内在目标或外部线索，灵活地启动、维持或切换动作。在神经层面，这种灵活性依赖于大脑皮层状态之间快速、短暂的动态转换。然而，长期以来该领域存在一个关键的未解问题：我们知道大脑状态的切换驱动了行为的改变，但人类是否能够通过学习，获得对这些神经动态的“自上而下”的自主控制权？如果能，这种纯粹在大脑内部进行的“意念体操”，真的能改善我们在现实世界中的运动表现吗？

为了回答这个问题，研究者通常会借助脑机接口（BCI）和神经反馈技术。过去的闭环神经反馈研究已经证实，人们可以学会调节特定的神经活动（如放电率或局部群体活动模式）来提升运动皮层的兴奋性。但这些研究大多关注单一状态的维持，很少探讨人类能否像在真实运动中那样，学会在极短的时间窗口内“快速切换”运动皮层的活动状态。

在这项发表于 PNAS 的最新研究中，研究团队设计了一项为期两天的双盲、假刺激对照（sham-controlled）脑机接口训练范式。他们要求参与者在“运动想象”和“肌肉放松”之间快速切换，试图弄清楚：人类能否学会对感觉运动节律（SMR）进行快速的自主状态切换？这种训练引发的神经重组，是否能跨越训练情境，真正提升个体的运动灵活性？

研究核心总结

这项研究不仅证实了皮层状态切换的可训练性，还揭示了其背后的全脑动态变化，并最终将其落脚于真实行为的改善上。研究的核心发现可以归结为以下三个方面：

一、真实神经反馈驱动了感觉运动节律的自主调控

研究者提取了参与者初级感觉运动皮层（SM1）的脑电相对频谱功率，并将其转化为屏幕上实时移动的反馈条。参与者需要通过运动想象（使反馈条向上）或放松（使反馈条向下）来控制目标。为了严格控制安慰剂效应，41名参与者被随机分为两组：真实组（Real）看到的是自己真实的脑电反馈，而假刺激组（Yoked）看到的则是回放的其他人的脑电数据。

结果表明，只有真实组在训练后成功掌握了对目标神经动态的调节能力。具体而言，在初级躯体感觉皮层（S1）和辅助运动区（SMA），真实组在放松状态下的 Alpha 频段“爆发（burst）”概率和持续时间均出现了显著增长。这说明，主动且真实的脑机接口控制训练，是促使感觉运动区域振荡活动发生系统性改变的必要条件。

Fig 1. 脑机接口神经反馈训练任务范式与参与者对感觉运动振荡的自主调控效果。

Fig 2. 真实反馈组在感觉运动皮层（S1与SMA）中表现出显著的Alpha频段爆发特征（概率与持续时间）调制。

二、状态切换引发全脑尺度与非周期性神经活动的重组

仅仅观察局部的感觉运动节律是不够的。为了探究在“切换指令”的瞬间大脑到底发生了什么，研究者引入了数据驱动的隐马尔可夫模型（HMM）来分析全脑的动态网络。

分析揭示，当参与者在运动想象和放松之间进行切换时，大脑并非只在局部皮层做出反应，而是卷入了大规模的、具有特定频谱结构的状态转换。在指令切换的瞬间，内侧额叶皮层表现出了更强的跨区域相位耦合（phase coupling），以及更陡峭的宽带频谱斜率（即非周期性指数增加）。这种非周期性活动的改变，通常被认为反映了局部兴奋与抑制平衡的动态变化。这意味着，自主切换皮层状态的过程，实际上调用了额叶自上而下的抑制性控制网络。

Fig 3. 基于隐马尔可夫模型（HMM）揭示的指令切换瞬间全脑大尺度相位耦合与非周期性频谱特征的变化。

三、习得的皮层控制能力可泛化，并显著提升真实运动表现

这项研究最关键的落脚点在于“泛化（generalization）”。如果脑机接口训练只能让参与者在看着屏幕时控制脑电，那它的应用价值将大打折扣。

研究者在没有实时反馈的“开环”条件（仅给指令）下测试了参与者，发现真实组依然能够表现出训练习得的神经动态特征。更重要的是，在随后的改良版简单反应时任务中（要求参与者听到提示后迅速收缩肌肉，随后迅速放松），真实组在肌肉收缩和肌肉放松两个阶段的反应时间都得到了显著缩短。这直接证明了，通过脑机接口习得的、对大脑皮层状态的快速切换能力，能够成功迁移到真实的运动执行中，从而提升行为的灵活性。

Fig 4. 脑机接口训练对无反馈（开环）条件及真实肌肉收缩/放松任务反应时的泛化提升效果。

研究意义

这项工作在理论和应用层面都推进了我们对运动控制的理解。

在理论层面，它首次明确证明了人类可以对大脑皮层的状态转换进行自上而下的自主控制。这种控制不仅涉及局部感觉运动节律的改变，还依赖于全脑尺度的兴奋-抑制状态的快速重组。这表明，脑机接口控制与人类自然状态下的灵活运动控制，共享着底层的神经动力学机制。

在应用与方法学层面，这项研究为“运动想象训练”提供了坚实的神经生理学证据。它解释了为什么在体育竞技、中风康复或乐器练习中，纯粹的“心理练习（mental practice）”能够有效改善真实的运动表现——因为这种结合了神经反馈的心理练习，在全脑尺度上精准模拟并强化了真实动作所需的神经动态过程。此外，研究中假刺激组的表现也提醒领域内同行，在设计神经反馈对照实验时，需要谨慎评估“无效反馈”可能给参与者带来的挫败感及对其行为表现的潜在干扰。

分享人：饭鸽儿

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部

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