超声波可以实现侵入性更低的脑机接口

脑机接口(bmi)是一种可以读取大脑活动并将其转化为控制电子设备(如假肢或电脑光标)的设备。他们承诺能让瘫痪患者用意念移动假肢装置。

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，在2021年，加州理工学院的研究人员开发了一种使用功能超声(fUS)来读取大脑活动的方法，这是一种侵入性小得多的技术。

现在，一项新的研究证明了fUS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读其含义，从而控制一台计算机，以极小的延迟时间准确预测运动。

这项研究是在加州理工学院的Richard Andersen实验室进行的，他是James G. Boswell神经科学教授，也是T&C Chen脑机接口中心的主任和领导主席;以及Max delbr ck化学工程和医学工程教授、霍华德·休斯医学研究所研究员米哈伊尔·夏皮罗。这项工作是与法国巴黎INSERM医学物理主任迈克尔·坦特(michael Tanter)的实验室合作完成的。

安德森说:“功能性超声波是一种全新的方式，可以帮助瘫痪的人，它可以添加到脑机接口工具箱中。”“它提供了比脑部植入物侵入性更小的有吸引力的选择，而且不需要经常重新校准。这项技术是一个真正的合作成果，不可能由一个实验室单独完成。”

“总的来说，所有测量大脑活动的工具都有优点和缺点，”加州理工学院前高级博士后学者、该研究的第一作者之一萨姆纳·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小的大脑区域。非侵入性技术也有权衡。功能磁共振成像(fMRI)提供全脑成像，但受限于有限的灵敏度和分辨率。像脑电图(EEG)这样的便携式方法受到信号质量差和无法定位大脑深部功能的阻碍。”

超声波成像的工作原理是发射高频声波脉冲，并测量这些声波振动如何在物质中回响，比如人体的各种组织。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。该技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像和其他诊断成像。

由于颅骨本身不能穿透声波，因此使用超声波进行脑成像需要在颅骨上安装一个透明的“窗口”。“重要的是，超声波技术不需要植入大脑本身，”惠特尼·格里格斯博士说。他是该研究的第一作者之一。“这大大减少了感染的机会，并使脑组织及其保护性硬脑膜完全完好无损。”

诺曼说:“随着神经元活动的变化，它们对氧气等代谢资源的利用也在变化。”“这些资源通过血液得到补充，这是功能性超声的关键。”在这项研究中，研究人员使用超声波来测量流向特定大脑区域的血流量变化。就像救护车警报器的声音会随着离你越近越远而改变音高一样，红细胞会在反射的超声波靠近声源时增加其音高，而在远离声源时降低其音高。

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液流动的微小变化，直到100微米宽的空间区域，大约是人类头发的宽度。这使他们能够同时测量遍布大脑的微小神经群的活动，有些只有60个神经元。

研究人员使用功能性超声波来测量非人类灵长类动物的后顶叶皮层(PPC)的大脑活动，该区域控制着运动的计划并有助于它们的执行。几十年来，安德森实验室一直在使用其他技术研究这一地区。

这些动物被教了两项任务，要求他们要么计划移动他们的手来引导屏幕上的光标，要么计划移动他们的眼睛去看屏幕的特定部分。当BMI在他们的PPC中读取计划活动时，他们只需要考虑执行任务，而不需要实际移动他们的眼睛或手。

夏皮罗说:“我还记得20年前这种预测解码在电极上工作时是多么令人印象深刻，而现在看到它与超声波等侵入性小得多的方法一起工作，真是令人惊讶。”

超声波数据被实时发送到解码器(之前经过训练，可以使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的地方。BMI能够成功地对8个径向目标进行此操作，平均误差小于40度。

格里格斯说:“与其他BMI指数不同，这项技术不需要每天重新校准BMI，这一点很重要。”“打个比方，想象一下每天使用前需要重新校准电脑鼠标长达15分钟。”

接下来，该团队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，以提高三维成像的准确性。

这篇论文题为“使用闭环超声脑机接口解码运动计划”，发表在《自然神经科学》杂志上。

更多信息:Whitney S. Griggs等人，使用闭环超声脑机接口解码运动计划，自然神经科学(2023)。期刊信息:自然神经科学