一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)取得腦機(jī)新成果：超聲波“讀腦”

當(dāng)你點(diǎn)開這篇文章，你的大腦中正在發(fā)生什么？換句話說，你的大腦中，哪些區(qū)域處于活動(dòng)狀態(tài)，哪些神經(jīng)元正在與其他神經(jīng)元“交談”，以及它們合謀向你的肌肉發(fā)送了什么信號(hào)？

如何將神經(jīng)活動(dòng)映射到相應(yīng)的行為，是神經(jīng)科學(xué)家們開發(fā)腦機(jī)接口（BMI）的重要研究方向。與之息息相關(guān)的人機(jī)界面，被用于讀取和解釋腦活動(dòng)并將指令傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或機(jī)器。

盡管這聽起來非?？苹?，但現(xiàn)有的BMI成果已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)將癱瘓的人與機(jī)械臂相互連接，并能解釋人的神經(jīng)活動(dòng)和意圖，進(jìn)而相應(yīng)地移動(dòng)機(jī)械臂（加州理工團(tuán)隊(duì)有過類似的進(jìn)展）。

不過，這一類的BMI進(jìn)展，仍需要使用硬件設(shè)備進(jìn)行侵入性腦部手術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的讀取。

直到最近，神經(jīng)科學(xué)頂級(jí)期刊Neuron在線發(fā)表了一項(xiàng)振奮人心的研究：一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了用超聲波讀取猴腦，成功預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)意圖。

參與這項(xiàng)研究的機(jī)構(gòu)包括美國加州理工學(xué)院、陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）等，研究通訊作者之一是陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心主任Richard Andersen教授。論文題為Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging。

Science在對(duì)這項(xiàng)進(jìn)展的報(bào)道中寫道：這為“更低創(chuàng)的腦機(jī)接口”鋪平了道路。

未參與該研究的斯坦福大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Krishna Shenoy稱：“這項(xiàng)研究將超聲波技術(shù)納入到腦機(jī)接口領(lǐng)域，令人驚嘆?！?/p>

超聲波“讀腦”

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)利用超聲波成像，預(yù)測(cè)猴子眼/手的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)這些信息生成機(jī)器人臂或電腦光標(biāo)指令。對(duì)這一方法加以改進(jìn)，將有望為癱瘓病人提供一種無需穿透大腦便可控制假肢的新方法。 “由于神經(jīng)損傷或疾病而失去活動(dòng)能力的人，已經(jīng)通過侵入式腦機(jī)技術(shù)獲得運(yùn)動(dòng)能力。不幸的是，只有少數(shù)癱瘓最嚴(yán)重的人才有資格并且愿意將電極植入他們的大腦。而功能超聲是一種令人興奮的新方法，它可以在不損害腦組織的情況下記錄詳細(xì)的腦部活動(dòng)。我們突破了超聲神經(jīng)成像的極限，并為它可以預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)而感到興奮。最重要的是，fUS是一項(xiàng)具有巨大潛力的年輕技術(shù)，這是我們?yōu)楦嗳藥砀咝阅?、低侵入性BMI的第一步”，論文一作Sumner L. Norman表示。 這項(xiàng)進(jìn)展之前，超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用并不罕見。長(zhǎng)期以來，醫(yī)生們一直使用該技術(shù)對(duì)內(nèi)臟進(jìn)行成像，比如通過其反射來指示體內(nèi)不同組織與體液之間的邊界。 大約十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種將超聲波用于腦部成像的方法，即fUS（functional ultrasound）。該方法使用寬而平的聲平面替代狹窄的波束，使得其能夠比傳統(tǒng)超聲更快地捕捉到大面積的聲音。

與功能性磁共振成像（fMRI）一樣，fUS可以通過測(cè)量血流的變化，指示神經(jīng)元活躍及耗能時(shí)間。其圖像比功能磁共振成像分辨率更高，受試者也不需要躺進(jìn)巨大的掃描儀。 論文作者之一、加州理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家Richard Andersen指出，此技術(shù)仍需要切除一小塊頭骨，但與直接讀取神經(jīng)元電活動(dòng)的植入電極不同，不必打開大腦的保護(hù)膜（brain’s protective membrane）。fUS可以在不穿透組織的情況下讀取大腦深處的區(qū)域活動(dòng)。 不過，遠(yuǎn)距離測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)，這意味著會(huì)犧牲一些速度和精度。

論文作者之一、加州理工學(xué)院生化工程師Mikhail Shapiro說，與電極讀數(shù)相比，fUS提供的信號(hào)顯得“不太直接”，所以這就有一個(gè)問題：超聲波圖像真正包含了多少信息？

這些圖像可以揭示意圖產(chǎn)生時(shí)大腦的神經(jīng)活動(dòng)，但是，所得信號(hào)中，讓計(jì)算機(jī)能夠解碼預(yù)期運(yùn)動(dòng)的信息充足嗎？ 為了找到答案，研究人員在兩只恒河猴的頭骨上植入了一些小的超聲波傳感器，大小和形狀大致相當(dāng)于多米諾骨牌。這個(gè)裝置通過一根電線連接到一臺(tái)電腦上，將聲波定向到大腦中一個(gè)涉及運(yùn)動(dòng)意圖的區(qū)域后頂葉皮質(zhì)，以100微米的分辨率（單個(gè)神經(jīng)元的大小約為10微米）繪制精確區(qū)域的大腦活動(dòng)圖。 研究人員訓(xùn)練猴子把眼神集中在屏幕中央的一個(gè)小點(diǎn)上，而在屏幕左側(cè)或右側(cè)，則另一個(gè)小點(diǎn)不斷閃爍。當(dāng)中心的點(diǎn)消失時(shí)，動(dòng)物們很自然地將眼睛移到閃爍點(diǎn)附近。另一組實(shí)驗(yàn)中，猴子則需要用手操作操縱桿完成上述移動(dòng)。 接下來，研究人員希望知道，記錄而得的fUS圖像中，與活動(dòng)有關(guān)的變化是否可以用于解碼非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的意圖，進(jìn)而通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理超聲成像數(shù)據(jù)和相應(yīng)的任務(wù)。

算法將負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)哪種大腦活動(dòng)模式與哪些任務(wù)相關(guān)，一旦對(duì)算法進(jìn)行了訓(xùn)練，研究人員就會(huì)向其展示從非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物中實(shí)時(shí)收集的超聲數(shù)據(jù)。之后，計(jì)算機(jī)算法將超聲波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)猴子意圖的猜測(cè)。

算法可以確定動(dòng)物準(zhǔn)備進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)間，并顯示這些猴子是計(jì)劃轉(zhuǎn)動(dòng)眼球還是要伸展手臂。結(jié)果顯示，在預(yù)測(cè)動(dòng)作是向左還是向右上，眼球運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率約為78%，而手部則約為89%。 此前曾有研究利用猴子大腦的fUS數(shù)據(jù)，來重建動(dòng)物所看到的東西或眼球運(yùn)動(dòng)。但要做到這一點(diǎn)，就需要拉平長(zhǎng)時(shí)間或多次運(yùn)動(dòng)收集到的信號(hào)。在這項(xiàng)新的研究中，研究人員收集了足夠多的數(shù)據(jù)，使得其在每次猴子意圖運(yùn)動(dòng)時(shí)，都能做出預(yù)測(cè)。

真正可用的腦機(jī)接口還遠(yuǎn)嗎？

根據(jù)加州理工學(xué)院介紹，這項(xiàng)合作研究，源于2015年Shapiro邀請(qǐng)fUI領(lǐng)域的先驅(qū)Mickael Tanter教授在加州理工學(xué)院做一個(gè)研討會(huì)。

事實(shí)上，加州理工學(xué)院的腦機(jī)接口研究屬世界一流水平。而對(duì)國內(nèi)普通大眾而言，這一認(rèn)知恐怕還與一個(gè)頂尖富豪的名字有關(guān)——陳天橋。

巧合的是，就在這項(xiàng)研究發(fā)表前不久，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大佬黃錚宣布退休投入生命科學(xué)領(lǐng)域。而在他之前，對(duì)投入生命科學(xué)持如此決心和姿態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)焦點(diǎn)人物，正是陳天橋。

這位昔日的中國互聯(lián)網(wǎng)之王和首富，曾在2016年做出一個(gè)讓業(yè)界震驚的決定：投入生命科學(xué)領(lǐng)域，向加州理工學(xué)院捐贈(zèng)1.15億美金，創(chuàng)立陳天橋雒芊芊研究院（TCCI），以推進(jìn)腦科學(xué)研究。后TCCI又與加州理工共建陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心?！叭祟惗嗄甑陌l(fā)展并沒有解決大腦和宇宙這兩件事情”，陳天橋曾如此闡述自己投資大腦科學(xué)的初衷。

同樣是在2016年，馬斯克也進(jìn)軍該領(lǐng)域，只不過是以商業(yè)公司的形式，成立了Neutralink。2020年，該公司還高調(diào)召開發(fā)布會(huì)宣布階段性成果（見“數(shù)據(jù)實(shí)戰(zhàn)派”報(bào)道：馬斯克首次NeuraLink發(fā)布會(huì)，應(yīng)該如何批判性看待？），更讓腦機(jī)接口技術(shù)迎來了前所未有的關(guān)注，甚至大幅提高了普通民眾對(duì)這一技術(shù)的落地時(shí)間表期待。

那么，這次的研究進(jìn)展會(huì)加速這個(gè)“時(shí)間表”嗎？

Shenoy表示，考慮到反應(yīng)速度及可解碼動(dòng)作的復(fù)雜性，fUS“在接近已有植入技術(shù)的水平前還有一段路要走”，因?yàn)椋粌H是向左或向右，電極植入技術(shù)已經(jīng)可以完成多個(gè)方向的預(yù)期手臂運(yùn)動(dòng)解碼了。下一步的關(guān)鍵，是利用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)來操縱機(jī)器人手臂或光標(biāo)。

Max Planck神經(jīng)生物學(xué)研究所（Max Planck Institute of Neurobiology）的神經(jīng)科學(xué)家Emilie Macé補(bǔ)充道，由于血流信號(hào)比電信號(hào)更遲鈍，所以速度是功能超聲“天生缺陷”。她指出，研究人員解碼猴子的運(yùn)動(dòng)意圖大約需要2秒鐘。 Macé提出了這些技術(shù)未來發(fā)展的一些思路，其中包括用3D成像替換平面成像來收集更多組織信息。

“這項(xiàng)技術(shù)的潛能還沒有完全發(fā)揮出來?！?/p>

原文標(biāo)題：陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心等團(tuán)隊(duì)新成果：超聲波“讀腦”，用思想控制機(jī)器的新方法

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