用超聲波「讀心」:加州理工學院科學家展示新型腦機接口技術

據外媒報道,將神經活動映射到相應的行為是開發腦機接口(BMI)的神經科學家的主要目標:讀取和解釋大腦活動並將指令傳輸到計算機或機器的設備。雖然這看起來像是科幻小說,但現有的BMI可以,例如,將一個癱瘓的人與機械臂連接起來;該設備可以解釋人的神經活動和意圖,並相應地移動機械臂。BMI發展的一個主要限制是,設備需要進行侵入性的腦部手術來讀出神經活動。但現在,加州理工學院的一個合作項目開發了一種新型的微創BMI,可以讀出與運動規劃相對應的大腦活動。

利用功能性超聲(fUS)技術,它可以從大腦深處的精確區域准確繪制大腦活動圖,分辨率為100微米(單個神經元的大小約為10微米)。新的fUS技術是創造創傷性較小,但仍有很高能力的BMI的重要一步。

用超聲波「讀心」:加州理工學院科學家展示新型腦機接口技術

「侵入形式的腦機接口已經可以讓那些由於神經損傷或疾病而失去運動的人重新獲得運動,」Andersen實驗室的博士後研究員和新研究的共同第一作者Sumner Norman說。「不幸的是,只有少數最嚴重癱瘓的人有資格並願意將電極植入他們的大腦。功能性超聲是一種令人難以置信的新方法,可以在不損害腦組織的情況下記錄詳細的大腦活動。我們突破了超聲神經成像的極限,並對它能預測運動感到興奮。最令人興奮的是,fUS是一項全新的技術,具有巨大的潛力–這只是我們為更多人帶來高性能、低侵入性BMI的第一步。」

描述這項工作的論文出現在2021年3月22日的《神經元》雜志上。

一般來說,所有測量大腦活動的工具都有缺點。植入式電極(電生理)可以非常精確地測量單個神經元層面的活動,當然,需要將這些電極植入大腦。功能性磁共振成像(fMRI)等非侵入性技術可以對整個大腦進行成像,但需要笨重而昂貴的機器。腦電圖(EEGs)不需要手術,但只能測量低空間分辨率的活動。

超聲波的工作原理是發射高頻聲音脈沖,並測量這些聲音振動如何在物質中回響,如人體的各種組織。聲音以不同的速度穿過這些組織類型,並在它們之間的邊界處反射。這種技術通常用於拍攝子宮內胎兒的圖像,以及其他診斷成像。

超聲波還可以「聽到」器官的內部運動。例如,紅血球就像一輛路過的救護車,當它們接近超聲波源時,音調會增加,而當它們流走時,音調會降低。測量這種現象使得研究人員能夠記錄下大腦血流的微小變化,最小可達 100 微米(按人類頭發寬度的比例)。

用超聲波「讀心」:加州理工學院科學家展示新型腦機接口技術

「當大腦的某個部分變得更加活躍時,該區域的血流量就會增加。這項工作的一個關鍵問題是:如果我們有像功能性超聲這樣的技術 在空間和時間上能給我們提供大腦血流動態的高分辨率圖像,是否有足夠的信息從該成像中解讀出一些有用的行為?」 研究人員Mikhail Shapiro說。「答案是肯定的。這種技術產生了我們目標區域神經信號動態的詳細圖像,這是用其他非侵入性技術(如fMRI)無法看到的。我們產生了接近電生理學的細節水平,但過程的侵入性要小得多。」

2015年,Shapiro邀請功能性超聲技術的先驅Mickael Tanter在加州理工學院舉辦研討會,合作由此開始。前Andersen實驗室博士後學者Vasileios Christopoulos(現為加州大學河濱分校副教授)參加了此次講座,並提出了合作建議。隨後,Shapiro、Andersen和Tanter獲得了美國國立衛生研究院BRAIN計劃的資助,繼續進行研究。在加州理工學院的工作由 Norman、前Shapiro羅實驗室博士後研究員David Maresca和Christopoulos領導。與Norman一起,Maresca和Christopoulos是這項新研究的共同第一作者。

這項技術是藉助非人類靈長類動物開發的,它們被教導做一些簡單的任務,包括當得到某些提示時,它們的眼睛或肢體向某些方向移動。當靈長類動物完成任務時,fUS測量了後頂葉皮層(PPC)的大腦活動,這是一個參與規劃運動的大腦區域。Andersen實驗室對PPC的研究已經有幾十年了,之前已經利用電生理學創建了該區域的大腦活動圖。為了驗證fUS的准確性,研究人員將fUS的大腦成像活動與之前獲得的詳細電生理學數據進行了比較。

接下來,通過加州理工學院T&C Chen腦機接口中心的支持,該團隊旨在了解fUS圖像中的活動依賴性變化是否可以用來解碼非人類靈長類動物的意圖,甚至在它發起運動之前。然後,超聲成像數據和相應的任務被一個機器學習算法處理,該算法學習哪些大腦活動模式與哪些任務相關。一旦該算法被訓練,它就會收到從非人類靈長類動物身上實時收集的超聲數據。

該算法在幾秒鍾內預測了非人靈長類動物將要進行的行為(眼球運動或伸出前肢),運動的方向(左或右),以及它們計劃何時進行運動。

「第一個里程碑是表明超聲波可以捕捉到與計劃身體運動的思想有關的大腦信號,」在超聲波成像方面具有專業知識的Maresca說。「功能性超聲成像設法記錄這些信號,其靈敏度和分辨率比功能性核磁共振成像高10倍。這一發現是基於功能超聲的腦機接口成功的核心。」

「目前的高分辨率腦機接口使用電極陣列,需要進行腦部手術,包括打開顱骨和大腦之間的堅固纖維膜–硬腦膜,並將電極直接植入大腦。但超聲波信號可以無創地穿過硬膜和大腦。只需要在顱骨中植入一個小的超聲透明窗口,這種手術的創傷性明顯小於植入電極所需的創傷性。」Andersen.說。

雖然這項研究是在非人類靈長類動物身上進行的,但目前正在與南加州大學神經外科醫生Charles Liu博士合作,對那些因為腦外傷而切除一塊頭骨的人類志願者進行技術研究。由於超聲波可以不受影響地通過這些「聲學窗口」,因此將可以研究功能性超聲波對這些人的大腦活動的測量和解碼能力。

來源:cnBeta