超声脑机接口简史：从一把“声学手术刀”到一座无声交响厅——一部全脑读写的无创长征史

2026年下半年，脑机接口（Brain Computer Interface, BCI）的路线的三场景叙事，已经深入人心，这分别是侵入式、半侵入式和非侵入式。

其中，超声脑机接口(Ultrasound BCI, US BCI)，通过可以穿过颅骨、到达大脑深处的超声波，成为非侵入读脑+大脑调控的唯一叙事，也成为脑机接口产业链极具竞争力的一环。

本文系统总结了科学家探究超声和大脑的交互过程，整理了超声脑机接口的技术路线，并分析了现在超声脑机接口科研和企业的发展现状。

01

脑机接口，“读写”不用只能靠开颅

脑机接口最性感的叙事，是高精度解码人类意识，并和机器闭环交互：像高位截瘫患者用意念打字、机械臂端杯咖啡。

但传统电学路线有个绕不开的代价：要读微秒级神经元放电，就得把电极扎进灰质；要调深脑核团，就得钻颅植电极。手术风险、胶质瘢痕、长期稳定性，像三座大山压在脑机接口的进一步应用上——正常人都不想在颅骨上开个洞。

超声脑机接口的思路从这里拐弯：既然声波是机械波，能穿软组织、能聚焦、能被颅骨折射后反向补偿，那能不能不开颅，隔着骨头在脑内捏出一个毫米级焦点，既“写”神经活动，又“读”血流密语？——这意味着同时具有高空间分辨率以及靶向深部脑回路的能力。

这里要划个重点，它与经颅磁刺激和经颅直流电刺激等电磁技术不同；聚焦超声（tFUS）的卖点是无创 + 深脑 + 毫米级焦域 + 可多靶点，利用机械压力波以毫米级精度调节浅表皮层及深部皮层下结构，理论上能服务从慢性疼痛、抑郁到卒中康复、甚至高级意图解码的一整片谱系。

02

超声与大脑的初次相遇：

从 Fry 兄弟的“神经手术刀”到被遗忘的半个世纪

故事得从声学刚摸进神经系统的年代讲起。

1927 年，Wood 与 Loomis 已系统报告高强度超声波的物理与生物学效应[1]；到 1929 年前后，更有研究者偶然报告高强度超声波能扰动神经功能，但没人当回事。真正的“官方登台”在 1950 年代：美国 Fry 兄弟（William J. Fry 与 Francis J. Fry）系统证明，高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）可以在动物中枢神经里造成空间局限的功能抑制或组织损毁，且不伤周围脑组织。这大概是人类第一次用“声音”当无形手术刀[2]。

但此后半个世纪，超声在脑里的主要人设是“破坏者”——用它热消融脑肿瘤、震颤灶。低强度下“不烧细胞、只调神经”的潜质，被 fMRI 和光遗传学的光芒盖住，在主流神经科学门外晾了五十年。

03

Tyler 和Tanter:超声无创写入和读取大脑的奠基

2008,Tyler等人在 PLOS ONE 报道低强度超声可诱导小鼠海马脑片的神经活动，并提出超声作用于【电压门控钠/钙通道】的可能机制[3],2010年，同一团队在 首次在活体小动物中证明经颅脉冲超声可刺激完整脑回路，并在《Neuron》发文[4]。他们使用低强度聚焦超声（low-intensity focused ultrasound, LIFU）刺激小鼠海马和皮层，能可逆地诱发神经元放电，不造成热损伤。这一步范式转换极关键——超声从“爆破工程师”变成“调音师”，现代超声神经调控（UNM）的底座就此浇下。

图1.A.活体小鼠经颅低强度聚焦超声;B.低强度聚焦超声刺激前后的鼠脑显微图像[4]

同年段另一头，法国物理学家 Mickael Tanter 团队在 2011 年于Nature Methods提出功能性超声成像（functional Ultrasound, fUS）[5]：用超高频超快超声扫微血管血流，以百微米级空间分辨率、毫秒级帧率间接读神经活动。读用 fUS、写用 tFUS，一束声波把“看脑”和“调脑”拧成同一条物理线索。

图2. 鼠脑fUS的原理。（a）实验设计，小鼠头骨进行了颅窗植入；（b）fUS流程，使用17个平面波进行复合，成像范围是2cmx2cm；（c）鼠脑信号的时域幅值，使用高通滤波提取鼠脑信号；（d）鼠脑信号的频谱、鼠脑的图像；彩色图像是通过提取频谱的中心频率（与血液在z方向的速度有关）和幅值（灰度图的功率多浦勒图像）[5]。

04

聚焦超声第一次在人脑里“调音”

颅骨是声波传播的最大障碍。动物数据再漂亮，过不了人脑颅骨这道声学迷宫都是白搭。2014 年，Wynn Legon等人在人类志愿者身上证明：经颅聚焦超声打到体感皮层，能显著改变触觉感知阈值，同步 EEG 可见对应频带变化。这是 tFUS 第一次在人体确认“隔着骨头、精准调皮层”成立（发表于《Nature Neuroscience》）。[6]

图 3. tFUS 可以靶向定位人类皮层空间上离散的区域。(a, b) 自上而下 (a) 和冠状切面图 (b) 显示了从脑电图（EEG）位点 CP3 投射到源自全头结构磁共振图像的逼真大脑有限元模型（FEM）中的 tFUS 波束声强场。tFUS 声场的投射展示了参照初级运动皮层（M1）和中央沟（CS）对初级体感皮层（S1）的靶向定位。(c) 冠状磁共振切片显示了从 EEG 电极位点 CP3 测得的 tFUS 场的投射，进一步说明了 0.5-MHz tFUS 在中央后回（S1）顶部和中央沟后壁的的空间特异性。沿波束的前后轴显示冠状切片，分别对应波束中心（上）和波束中心后方 2.0 mm 处（下），以显示声强随 tFUS 波束宽度的衰减情况。[6]

05

从“打一束”到“画一封”：Caltech 的猴眼与 USC 的人意

光会刺激还不够，真正做到BCI，要的是解码意图，闭环调控。

2021 年，Caltech 的 Mikhail Shapiro / Richard Andersen 组在《Neuron》用超声成像盯非人灵长类后顶叶，提前预测猴子眼动与伸臂方向——证明超声信号能“读”到运动规划[7]。2023 年同一脉络走通闭环（论文见刊于 2024 年《Nature Neuroscience》）：猴子只“想”动作、不动手，超声解码 + 刺激回路就能把光标推着走。[8]

图4.解剖记录平面与行为任务。a.成像设置： 猴子 P 和 L 的冠状面 fUS 成像。fUS 视场叠加在 MRI 上。记录室垂直置于去骨瓣（黑框）上方，换能器定位以获取一致冠状面（红线）。血管图为平均功率多普勒图像。白字标注脑区，箭头指脑沟。缩写：D(背), V(腹), L(左), R(右), A(前), P(后), ls(外侧沟), ips(顶内沟), cis(扣带沟)。b. 记忆引导眼跳任务： 注视/记忆期抖动 ±1000 ms，保持期 ±500 ms。外周线索为 2 或 8 个目标位置之一。红方块为猴眼位置（猴不可见）。NHP：非人灵长类（猴）。c. fUS-BMI 算法： 实时 2-Hz 功能图像传入线性解码器控制任务。解码器用记忆期最后 3 帧 fUS 图像预测。预测正确则数据加入训练集，并在每次成功试验后重训练。训练集来自当前或过往会话。d. 多解码器算法： 预测 8 个运动方向时，分别预测垂直（蓝）和水平（红）分量，再合并为最终 fUS-BMI 预测（紫）。e. 记忆引导 BMI 任务： 同 b，但运动期由 fUS-BMI 脑活动控制而非眼动。100 次成功眼动试验后进入闭环控制。闭环模式下，猴需注视中心点直至获赏。红方块为猴眼位置（不可见），绿方块为 BMI 光标（可见）。

2024 年，南加州大学与 Caltech 联合组在《Science Translational Medicine》迈出成人解码关键一步：利用一位颅骨术后留有“声学窗”（聚合物骨替代）的患者，从超声血流信号里解出其移动操纵杆的方向与想象意图。这是超声 BCI 第一次在成年人类身上展示“读意图”，虽依赖临时声窗，但把“无创全脑读”从猴脑拉到人身边[9]。

图 5. PMMA 颅骨植入物可在弹吉他期间实现脑活动的 fUSI 检测。(A) 显示成像平面血管解剖结构的功率多普勒图像。比例尺，1 cm。(B) 参与者在 fUSI 记录期间弹吉他的照片。(C) 弹吉他任务中活动的 T 分数统计参数图，阈值为 P校正 < 10⁻¹⁰。彩色框 1 至 3 显示了 (D) 中使用的感兴趣区域（ROIs）。(D) 弹吉他任务期间，来自感兴趣区域（ROIs）的平均缩放 fUSI 信号的百分比变化。白色区域为静息区块；灰色区域为任务区块。[9]

2026 年，上海交通大学团队联合法国 Mickaël Tanter 团队在 Nature Biomedical Engineering 在线发表研究论文，首次将超声定位显微镜（ULM）应用于 ICU 床旁脑微循环评估。该研究在临床超声系统上实现了约 139 μm 的空间分辨率，揭示了严重程度依赖性的脑血管重塑模式。研究发现，ULM 衍生的复合指标与有创颅内压呈负相关，且微血管灌注效率系数能有效预测患者 6 个月的临床预后分层，为微循环导向的神经重症监护提供了全新平台 [10]。

图6.TBI（创伤性脑损伤）患者脑微循环的 ULM 成像。a，ICU 中 TBI患者床旁 ULM 成像及造影剂输送装置的示意图。b，使用标准解剖标志，在去骨瓣窗上方标准化放置超声成像平面。c，标准化扫描平面的示意图，显示侧脑室、第三脑室和基底节。d，具有代表性的超分辨率轨迹密度图。e，具有代表性的脑血流方向和速度图。f，d 中框选区域的放大视图，显示微血管结构。g，f 中标记为 (i) 和 (ii) 的两对血管的横截面轮廓。点表示归一化的微泡信号强度，虚线表示高斯拟合。[10]

06

超声脑机接口的误区

看到这儿，很多人会冒出朴素想象：一个阵元就是一个光斑，相控阵越多焦点越细，将来万阵元头盔一戴，不就能在脑里雕任意图形？这个想象很诱人，但基本是错的。过去十五年超声 BCI 最大的认知升级，恰恰是我们终于不再把大脑当均匀介质，而是把它当成有颅骨畸变、有血流滞后、有状态依赖、还会被声场捏出非线性响应的活体声腔。

说人话，三件反直觉事：

反直觉之一：焦点不是像素，颅骨是声学迷宫。每人颅骨厚薄、曲度、孔隙各异，超声进去会被折射、散射、衰减，焦域偏移常达数毫米甚至厘米级。所以导航靶向无创调控的命根子不是换能器多贵，而是 CT/MRI 重建声速场 + 相位补偿算法。国内复通汇智用 3D 打印个性化立体定向头盔 + 自研声补偿，把焦点偏移压到 1 mm 内、跑过 57 例临床验证，是这个逻辑的工程兑现。

反直觉之二：超声“写”是调控，而不是单一刺激/抑制。同样参数，对清醒/疲劳脑态、对 V1/ACC/DLPFC 不同核团，效应可能兴奋也可能抑制。上海交大孙俊峰教授组通过同步神经影像反馈已验证：开环 tFUS 参数不可直接平移到人。这催生了无创双向闭环调控——先“听”EEG/fUS/导航反馈，再决定何时打、打多大、打哪阵元。

反直觉之三：读脑靠血流，不靠神经元放电。fUS 读的是红细胞移动的信号，反映的是血流速度，这种血流速度通过神经-血管耦合，可以反应大脑神经活动；时间分辨率毫秒级、空间百微米级，夹在 fMRI（全脑但慢）和电极（快但范围窄）中间。它天生适合读“分布式子网络”，不适合读单神经元尖峰。所以超声 BCI 的意图解码，走的是“多脑区血流模式→AI 表征→行为/刺激指令”，不是电学 BCI 的尖峰排序逻辑。

07

2026：经颅声场、血流解码、超声作用大脑的底层机制齐头迸发，

超声 BCI 进入“读—写一体”的临界年

2026 年不仅是超声 BCI 的“爆发年”，也是把四条暗线拧成一股的年份：经颅声场反向求解、fUS 血流解码，同时被论文推到可工程化门口。

第一，经颅声场不再靠“慢仿真”，毫秒级预测进实验室。天津大学/脑机海河实验室在 Engineering Applications of Artificial Intelligence 发 tFUSNet：用对抗式深度学习替掉 k-Wave 三维声场求解，基于 61 例真实人类颅骨仿真 + 离体颅骨实测，把颅内聚焦预测从 96.65 秒压到 28.30 毫秒，焦点误差随颅骨异质性可控。这意味着“戴头盔前先算一遍个人声速场”从离线配准变成实时跟帧——导航靶向无创调控的工程地基第一次够硬[11]。

第二，fUS 解码从读取猴脑的方向信号走成人脑闭环读端。郑海荣/邱维宝团队系统综述 fUS-BCI[12]：微血管 CBV 信号经神经血管耦合间接读神经活动，空间百微米、帧率毫秒级，已在非人灵长类稳定解码运动方向，2026 年重点转向“实时 3D/4D 成像 + 在线自适应解码”。

第三，分子机制锚定，声遗传（sonogenetics）从概念落进 TRPC 复合体。Seung-Schik Yoo、C.等补完了机制拼图：超声既可兴奋也可抑制神经，取决于参数与靶区状态[13]；2019 年 Lee 组还发现超声可通过星形胶质细胞 TRPA1 通道间接作用——说明“声→神经”不是单一开关，而是机械力、声辐射力、稳态空化、离子通道多重奏[14]。郑海荣院士 + 浙大李相尧组 Nature Communications（2026.6）锁定小鼠压后皮层 RSC：tFUS 镇痛效应由 TRPC4/TRPC5 异源复合体介导钙内流、Egr1 上调、持续放电抑制实现；敲低 TRPC4/5 超声镇痛消失[15]。这与 2019 Lee 组 TRPA1 星形胶质细胞机制互补，给半侵入超声解码的“声基因增强神经元敏感性”提供了分子抓手。

08

超声BCI未来的发展蓝图

2025年发表于 Frontiers in Robotics and AI 的综述中，Tyler 系统地将 tFUS、fUS、SMG（超声肌动描记）与空中触觉整合为一套完整的双向 uBCI 架构——不是零散技术的堆砌，而是以"感知—分析—调节"闭环为骨架的认知增强系统。其核心逻辑是：用 tFUS 向深脑靶点"写入"调控信号（如 dACC 提升警觉、rIFG 缩短反应抑制），同时用 fUS 解码脑血流、SMG 读取肌肉形变作为"读"端，空中触觉提供非接触式外周反馈，三者合流构成信息双向流动。优化的认知变量直指自动驾驶接管、远程机器人操作与多智能体监管中的真实瓶颈——注意力衰减、信任校准、认知疲劳与运动执行精度。这篇综述把此前分散在神经机制、硬件工程与应用验证中的工作拧成一条线：超声不再只是"另一种非侵入性刺激"，而是同时具备毫米级深脑写入能力与介观血流/肌肉读取能力的唯一物理模态，由此定义了下一代人机认知接口的完整技术范式[17]。

09

产业赛道：多条路线齐头并进

进入 2020 年代后半，超声 BCI 从声学室拐进产业街，分出几条并行线：

美国无创全脑派：Sam Altman 联合创 Merge Labs（原 Forest Neurotech 衍生），2025 完成 2.52 亿美元种子、估值 8.5 亿，主推非植入全脑读写；Coinbase 系 Fred Ehrsam 创 Nudge，1 亿美元 A 轮，押注闭环超声神经调控。

以色列 HIFU 龙头分叉：Insightec 分拆 Lotus Neuro，把 MRI 引导聚焦超声从震颤消融转向低频神经调控 + 药物递送。

中国超声BCI的多元发展：

• 格式塔（Gestala）2026.1 彭雷 + 陈天桥创立，成都/上海双总部，先打慢性疼痛（ACC 调控文献提示镇痛半衰期 1–2 周），顺推抑郁/卒中/AD，喊“大脑 Foundation Model”。

• 华超神控 BCI-Sonics经纬领投亿元级，对标海外 OpenAI 投资的 Merge Labs 超声脑机技术路线；LIFU + AI 声场校正 + 超声血流解码“全脑读写”，做到1.5mm聚焦精度。

• 复通汇智 tFUS-Mind闭环系统、3D 打印头盔已拿二类证与医保编码，2026 上半年数百万营收，主机走创新器械绿色通道，并于2026年拿到数千万天使轮。

• 脑伽科技（孙俊峰）2015 动物→2021 国人脑→2023 临床，基础无创声调控→无创双向闭环调控全走完，推进半侵入超声解码，并定义了超声脑机接口从L1到L5的技术路线。

• 思昇科技2026 连获两轮数千万融资，非侵入 + 半侵入超声 BCI 双布局；

• 空山慈（云启 Pre-A）无创神经调控 + BCI 叙事，偏精神疾病。

10

为什么说它是脑机接口的“无创珠峰”

超声 BCI 难，是因为它一口气踩中无创路线最难的几个坑：

1.颅骨声学畸变：不解决 CT/MRI 声速场反演，焦域就是玄学。

2.量效无共识：国际近百篇人脑研究参数五花八门，同参数跨人复现率低，无创双向闭环调控靠实时反馈兜底。

3.读是间接量：fUS 读血流不读尖峰，解码上限受血流-神经耦合延迟绑死。

4.写是网络响应：超声的聚焦调控是毫米级别的，调的是胶质 + 神经元 + 血管三位一体，不是“电极-细胞”点对点。

5.长期焦点稳定性：头皮压迫、颅骨微动、换能器老化都会让焦域漂，需定期重标定。

6.半侵入微型化：半侵入超声芯片要兼顾功耗、散热、声窗、生物相容，比电极片难一个量级。

11

所以，到底能不能“全脑读写”

如果“全脑读写”指的是像侵入式电极那样微秒级尖峰收放、任意核团独立驱动，那超声现阶段做不到，未来半侵入超声解码阶段也只是逼近而非等同电学时间精度。

但如果“全脑读写”指的是：无创穿过颅骨，毫米级焦点调多个深脑核团，用 fUS 读分布式子网络血流模式解码运动/疼痛/情绪意图，闭环反馈个体化参数，在慢性疼痛、抑郁、PD、卒中康复上给出可量化临床终点——那答案是：这条路已被科学家和创新企业一次次真实推进，正站在无创双向闭环调控 → 半侵入超声解码的临界点上。

真正的瓶颈，从来不只是阵元数量，而是我们对“颅骨-声场-血流-神经环路”四维耦合的理解深度。谁能把声速场反演、状态依赖闭环、fUS 血流解码、半侵入超声芯片、声基因增强和长期焦点稳定性，整合进同一台头盔，谁就更接近那把钥匙。

从 Fry 兄弟 1950 的一束损毁超声，到 Tyler 2010 的小鼠海马放电；从 Legon 2014 人触皮层阈值漂移，到 Caltech 猴眼转动被超声读出来；从声窗下人脑意图解码，到 2026 年 Merge/格式塔/复通/脑伽把千阵元头盔推进注册临床——这从来不是“突然爆发”的故事，而是一场近百年声学、神经、影像、AI 的交响预热。

人类离“隔着头皮和大脑对话”的那天，还有不少声学迷宫要解。但方向已经越来越清楚：不是在颅骨上凿窗，而是学会用声波自己的语言，隔着骨头重新调音一片脑海。

作者：Bobo Feng

审核/排版：萝卜

参考文献:

Remote Excitation of Neuronal Circuits Using Low-Intensity, Low-Frequency Ultrasound

Transcranial Pulsed UltrasoundStimulates Intact Brain Circuits

functional ultrasound imaging of the brain

Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans

Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging

Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain-machine interface

Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window

Clinically translatable ultrasound localization microscopy reveals cerebrovascular remodelling and prognosisin patients with traumatic brain injury

Accurate real-time acoustic ffeld prediction for phased array transcranial focused ultrasound neuromodulation

The Emergence of Functional Ultrasound for Noninvasive Brain–Computer Interface

Focused ultrasound modulates region-specific brain activity

UItrasonic Neuromodulation via Astrocytic TRPA 1

TRPC4/TRPC5 are critical for neuronal modulation by transcranial focused ultrasound in retrosplenial cortex in male mice

Ultrasonic Brain Computer Interfaces for Enhancing Human-Machine Cognition

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