功能超声（fUS）标志着脑机接口技术的重大飞跃，它提供了一种通过解读大脑活动来精确控制电子设备的微创方法。脑机接口（BMI）是一种可以读取大脑活动并将其转化为控制假肢或电脑光标等电子设备的装置。它们有望让瘫痪患者通过意念移动假肢设备。
许多 BMI 需要进行侵入性手术，将电极植入大脑以读取神经活动。然而，2021年，加州理工学院的研究人员开发出一种利用功能性超声波（fUS）读取大脑活动的方法，这是一种创伤性小得多的技术。
功能超声： 改变 BMI 的游戏规则
现在，一项新的研究证明，功能超声技术可以成为"在线"BMI 的基础--它可以读取大脑活动，用机器学习编程的解码器解译其含义，进而控制计算机，在延迟时间极短的情况下准确预测运动。
超声波用于对大脑的二维薄片进行成像，然后将其叠加在一起，形成三维图像。图片来源：W. 格里格斯提供
这项研究是在加州理工学院的理查德-安德森（Richard Andersen）和米哈伊尔-夏皮罗（Mikhail Shapiro）实验室进行的，理查德-安德森是詹姆斯-博斯韦尔（James G. Boswell）神经科学教授、T&C Chen 脑机接口中心主任和领导主席；米哈伊尔-夏皮罗是马克斯-德尔布吕克（Max Delbrück）化学工程和医学工程教授、霍华德-休斯医学研究所研究员。这项工作是与法国巴黎 INSERM 医学物理学主任 Mickael Tanter 的实验室合作完成的。
功能超声的优势
安德森说："功能超声是一种全新的模式，可以添加到脑机接口工具箱中，为瘫痪患者提供帮助。与脑部植入物相比，它的侵入性更小，而且不需要不断重新校准，这一点很有吸引力。这项技术的开发是一项真正的合作努力，单靠一个实验室是无法完成的"。
"一般来说，所有测量大脑活动的工具都有利有弊，"加州理工学院前高级博士后学者副研究员、该研究的共同第一作者萨姆纳-诺曼（Sumner Norman）说。"虽然电极可以非常精确地测量单个神经元的活动，但它们需要植入大脑本身，而且很难扩展到几个以上的小脑区。非侵入性技术也有其局限性。功能性磁共振成像（fMRI）可测量整个大脑，但灵敏度和分辨率有限。脑电图（EEG）等便携式方法则因信号质量差和无法定位大脑深层功能而受到阻碍"。
通过功能性超声神经成像测量的后顶叶皮层血管。图片来源：W. Griggs 提供
超声波成像解释
超声波成像的原理是发射高频声脉冲，并测量这些声波振动如何在物质（如人体的各种组织）中产生回声。声波以不同的速度穿过这些组织类型，并在它们之间的边界反射。这种技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像和其他诊断成像。
由于颅骨本身不能透过声波，使用超声波进行脑部成像需要在颅骨上安装一个透明的"窗口"。该研究的第一作者之一惠特尼-格里格斯（Whitney Griggs，23 岁，博士）说："重要的是，超声波技术不需要植入大脑本身。这大大降低了感染的几率，使脑组织及其保护性硬脑膜完好无损。"
诺曼说："随着神经元活动的变化，它们对氧气等代谢资源的使用也会发生变化。这些资源通过血流重新补充，这是功能性超声的关键所在"。
在这项研究中，研究人员利用超声波测量特定脑区的血流变化。就像救护车鸣笛的声音从靠近你到远离你的过程中音调会发生变化一样，红细胞在接近声源时会提高反射超声波的音调，而在流向远方时音调会降低。通过测量这种多普勒效应现象，研究人员可以记录到大脑血流的微小变化，其空间区域仅有 100 微米宽，大约相当于人类头发丝的宽度。这使他们能够同时测量整个大脑中微小神经群的活动，有些神经群甚至只有 60 个神经元。
在非人灵长类动物中的创新应用 帮助瘫痪者利用思维控制计算机和机器人肢体
研究人员利用功能超声波测量了非人灵长类动物后顶叶皮层（PPC）的大脑活动，该区域负责规划动作并促进动作的执行。几十年来，安德森实验室一直在使用其他技术对该区域进行研究。
研究人员给动物们教授了两项任务，要求它们要么计划移动手来引导屏幕上的光标，要么计划移动眼睛来观察屏幕上的特定部分。它们只需要考虑执行任务，而不需要实际移动眼睛或手，因为 BMI 会读取它们 PPC 中的计划活动。
夏皮罗说："我还记得二十年前这种预测性解码在使用电极时的效果是多么令人印象深刻，而现在看到它在使用超声波这种侵入性更小的方法时的效果也令人惊叹。"
有希望的结果和未来计划
超声波数据被实时发送到解码器（解码器之前经过训练，能利用机器学习解码数据的含义），随后产生控制信号，将光标移动到动物想要去的地方。BMI 能够成功地对八个径向目标进行这样的操作，平均误差小于 40 度。
格里格斯说："与其他 BMI 不同，这项技术不需要每天对 BMI 进行重新校准，这一点意义重大。打个比方，想象一下每天使用电脑鼠标前需要重新校准长达15分钟。"
下一步，研究小组计划研究基于超声技术的 BMI 在人体中的表现，并进一步开发 fUS 技术，以实现三维成像，提高准确性。
该论文题为"利用闭环超声波脑机接口解码运动计划"，于11月30日发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上。
编译来源：ScitechDaily