腦機(jī)啟偵|浙大團(tuán)隊(duì)新突破：為意念手寫腦機(jī)接口裝上“立體眼睛”

浙江大學(xué)腦機(jī)智能全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南湖腦機(jī)交叉研究院郝耀耀、王躍明團(tuán)隊(duì)于2026年3月14日在國際頂級(jí)期刊《Nature Communications》發(fā)表研究成果《Cortical representation of multidimensional handwriting movement and implications for neuroprostheses》。研究首次系統(tǒng)揭示了大腦運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)手寫動(dòng)作多維參數(shù)的編碼規(guī)律，為高性能意念手寫腦機(jī)接口（BCI）提供了全新的理論框架及技術(shù)路徑。

手寫堪稱人類最精細(xì)且最熟練的運(yùn)動(dòng)技能之一。近年來，基于手寫想象的腦機(jī)接口領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展：癱瘓患者僅憑“意念”即可在屏幕上輸出文字，通信速率也隨之大幅提升。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)大多將手寫簡化為紙面上的二維（2D）軌跡（即X軸與Y軸的速度變化），并假設(shè)大腦僅編碼這些二維信息。

但真實(shí)的手寫過程遠(yuǎn)不止于此：我們會(huì)提筆、落筆，調(diào)整握力，改變筆尖對(duì)紙面的壓力，甚至在兩筆之間劃出空中的三維弧線。這些“額外”的信息是否同樣被大腦編碼？它們對(duì)解碼手寫意圖是否具有價(jià)值？這些問題此前一直懸而未決。

近日，浙大團(tuán)隊(duì)通過最新研究給出了顛覆性答案：大腦對(duì)手寫運(yùn)動(dòng)的編碼，是一套包含三維空間軌跡、握力變化、筆壓調(diào)節(jié)在內(nèi)的“立體指令集”，遠(yuǎn)比我們想象的復(fù)雜。

01【研究內(nèi)容】

從“二維”到“多維”：破解大腦的書寫密碼

■ 記錄癱瘓患者的腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)：

研究團(tuán)隊(duì)在一名因脊髓損傷導(dǎo)致四肢癱瘓的患者左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層植入兩個(gè)微電極陣列（Utah陣列）。患者在視覺引導(dǎo)下嘗試用右手書寫字符（包括數(shù)字與簡單漢字），同時(shí)記錄其單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)（SUA）。

■ 采集健康人的多維手寫數(shù)據(jù)：

為獲取精確的手寫運(yùn)動(dòng)參數(shù)，團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)了6名健康受試者，通過高精度設(shè)備同步采集他們書寫相同字符時(shí)的多維數(shù)據(jù)，涵蓋筆尖三維速度（X/Y/Z軸）、握力、筆壓及前臂8通道肌電信號(hào)（EMG）。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過平均處理后，形成“標(biāo)準(zhǔn)手寫模板”。

■ 將運(yùn)動(dòng)模板與神經(jīng)活動(dòng)對(duì)齊：

健康人的手寫運(yùn)動(dòng)模式具有高度一致性，癱瘓患者想象書寫時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，理應(yīng)對(duì)應(yīng)相似的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。于是，團(tuán)隊(duì)將神經(jīng)活動(dòng)與這些多維模板展開聯(lián)合分析，探究每個(gè)神經(jīng)元究竟“喜歡”編碼哪些參數(shù)。

02【核心發(fā)現(xiàn)】

筆畫和提筆，大腦“區(qū)別對(duì)待”

研究首先發(fā)現(xiàn)，手寫過程中，“筆畫”（筆尖接觸紙面）與“提筆”（筆尖在空中移動(dòng)）是兩種截然不同的行為，大腦對(duì)二者的編碼方式亦大相徑庭。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)用傳統(tǒng)的二維速度模型分析神經(jīng)活動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一神經(jīng)元在筆畫階段表現(xiàn)出明確的方向調(diào)諧（例如朝某些方向書寫時(shí)放電更頻繁），但在提筆階段幾乎無方向選擇性。這表明，僅依靠二維速度模型無法解釋提筆階段的神經(jīng)活動(dòng)機(jī)制。若強(qiáng)行用單一模型同時(shí)擬合筆畫與提筆過程，將導(dǎo)致解碼筆跡中的提筆方向嚴(yán)重失真，最終造成字符結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂（例如本應(yīng)上下結(jié)構(gòu)的漢字變成左右分離）。

而若分別構(gòu)建“筆畫模型”與“提筆模型”，解碼精度則顯著提升：筆畫相似度從0.63提高至0.69，提筆相似度從0.72躍升至0.86。這清晰表明：大腦對(duì)筆畫與提筆的神經(jīng)表征存在本質(zhì)差異，需分別建模。

手寫是多維運(yùn)動(dòng)，大腦編碼遠(yuǎn)超二維

既然二維模型無法充分解釋提筆動(dòng)作的神經(jīng)解碼機(jī)制，那么究竟有哪些關(guān)鍵參數(shù)參與其中呢？研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)，提筆階段的筆尖并非簡單地在二維平面上畫直線，而是在三維空間中形成了一條具有overshoot特征的曲線軌跡，在空中劃出一道優(yōu)美的弧線。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了線性-非線性泊松（LNP）編碼模型，系統(tǒng)考察了不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的解釋能力。針對(duì)筆畫書寫階段：在二維速度（Vxy）模型的基礎(chǔ)上，若加入握力、筆壓或肌電信號(hào)等參數(shù)，模型的編碼性能會(huì)得到顯著提升。而在提筆階段：加入Z軸速度、握力或肌電信號(hào)，均能有效提升編碼性能。尤為關(guān)鍵的是，若從全模型中移除Z軸速度參數(shù)，提筆階段的編碼性能顯著下降，這一結(jié)果直接證明了Z軸信息在提筆動(dòng)作編碼中的不可或缺性。

這些結(jié)果量化地證明：大腦運(yùn)動(dòng)皮層不僅編碼二維速度信息，還同步編碼了垂直運(yùn)動(dòng)、握力、肌電等多種維度信息。神經(jīng)元并非僅對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，而是對(duì)多個(gè)維度的信息進(jìn)行混合編碼。

多維解碼賦能，讓字符識(shí)別更精準(zhǔn)

既然大腦編碼了如此豐富的信息，那么在解碼環(huán)節(jié)利用這些多維信息，能否有效提升文字識(shí)別率？團(tuán)隊(duì)就此展開了驗(yàn)證：他們借助長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），從神經(jīng)活動(dòng)中解碼出不同的參數(shù)組合，再與健康人構(gòu)建的字符庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（DTW）匹配，從而識(shí)別出最可能對(duì)應(yīng)的字符。

結(jié)果清晰表明：僅解碼二維速度（Vx,Vy）時(shí)，識(shí)別率僅為29.22%。加入Z軸速度后，識(shí)別率提升至約42%。進(jìn)一步加入筆壓參數(shù)，識(shí)別率升至49.96%——較二維基線提升超70%。值得關(guān)注的是，同時(shí)加入握力與筆壓并未帶來顯著的額外提升，表明二者存在一定的信息冗余；但毋庸置疑的是，加入任意一個(gè)額外維度，都能顯著優(yōu)化識(shí)別效果。

這一結(jié)果表明，大腦中的多維信息不僅真實(shí)存在，還能被有效提取，為構(gòu)建更精準(zhǔn)的意念打字系統(tǒng)提供了關(guān)鍵支撐。

03【總結(jié)展望】

為臨床腦機(jī)接口裝上“立體眼睛”

“這項(xiàng)研究好比為腦機(jī)接口領(lǐng)域裝上了‘立體眼睛’，”論文通訊作者郝耀耀研究員解釋道，“過去我們只看到了二維的筆跡軌跡，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)大腦實(shí)際在輸出三維的運(yùn)動(dòng)指令與力度信息。只有接收并理解這些多維信號(hào)，才能真正實(shí)現(xiàn)高效且自然的意念書寫。”

該研究的創(chuàng)新之處不僅體現(xiàn)在突破性發(fā)現(xiàn)上，更在于其開創(chuàng)的方法論：通過健康人群的多維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)構(gòu)建“標(biāo)準(zhǔn)模板”，再將其映射到癱瘓患者的神經(jīng)活動(dòng)上，從而揭示出后者所隱含的豐富運(yùn)動(dòng)意圖。這一范式可廣泛應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口研究，為開發(fā)更智能的神經(jīng)假體提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

文信息：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70536-7

來源 | 南湖腦機(jī)交叉研究院

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