超声波BMI重磅进展！超声波实现微创脑机接口 | Nature子刊

脑机接口（BMI）是一种能够读取大脑活动并将其转化为控制假肢或计算机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了一种利用功能性超声波(functional ultrasound, fUS)读取大脑活动的方法，这是一种创伤性小得多的技术。

近日，最新发表在《Nature Neuroscience》上的一项技术报告表明，功能超声技术可以成为"在线脑机接口(online 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，从而控制计算机，以极小的延迟时间准确预测运动。

研究人员表示：“功能性超声波是一种全新的模式，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。这项技术是一个真正的合作成果，不可能由一个实验室单独完成”。

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)表示：“一般来说，所有测量大脑活动的工具都有利有弊。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”。

图 1：解剖记录平面和行为任务。用于猴子 P 和 L 的冠状 fUS 成像平面。记录室位于颅骨上方（黑色正方形），与颅骨表面垂直。超声换能器的定位是为了在不同疗程中获取一致的冠状面（红线）。血管图显示的是单次成像的平均功率多普勒图像。

超声波成像的工作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Whitney Griggs说：“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。”

研究人员表示：“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，红细胞在靠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。这样，他们就能同时测量大脑中广泛存在的微小神经群的活动，有些神经群甚至只有60个神经元。

图2 实时fUS-BMI的硬件和软件

研究人员利用功能性超声波测量了非人类灵长类动物的后顶叶皮层（PPC）的大脑活动。几十年来，Andersen实验室一直在使用其他技术研究这一区域。研究人员教授动物两项任务，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。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。

Shapiro说：“我还记得二十年前这种预测性解码在电极上的应用是多么令人印象深刻，现在看到它在超声波这种侵入性更小的方法上也能发挥作用，真是令人惊叹。”

Functional ultrasound imaging can record mesoscopic neural populations with good spatial coverage.

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此操作，平均误差小于 40 度。

Griggs说：“与其他脑机接口不同，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。”

接下来，该团队计划研究基于超声技术的MI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。

参考内容

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01500-7

https://www.miragenews.com/caltech-simplifies-brain-machine-interfaces-1134798/