研究人員研發(fā)新型超聲波腦機接口

2023年是腦機接口（BCI）技術(shù)發(fā)展的一年：可以解碼大腦信號并使用它們控制外部設(shè)備，或使用設(shè)備改變大腦信號。腦機接口開發(fā)商Neuralink、Paradromics和Synchron都在臨床試驗過程中達(dá)到了重要的里程碑，每一個都使全植入式腦機接口更接近美國的臨床現(xiàn)實。這些公司正在開發(fā)與大腦電交互的腦機接口，但最近宣布的一項研究合作正在開發(fā)一種使用完全不同介質(zhì)的腦機界面：超聲波。

10月，F(xiàn)orest Neurotech和Butterfly Network公司宣布了一項2000萬美元的聯(lián)合研究，以開發(fā)基于超聲波的腦機接口。Forest Neurotech將授權(quán)Butterfly Network的緊湊型超聲波芯片技術(shù)開發(fā)一種用于學(xué)術(shù)和研究環(huán)境的微創(chuàng)超聲腦機接口設(shè)備。

大多數(shù)腦機接口系統(tǒng)通過讀取電信號來測量大腦活動，有些還通過電刺激大腦。Forest提出的設(shè)備將使用高頻聲波與大腦接口。指導(dǎo)這種方法的科學(xué)原理不同尋常，但很簡單：直接聚焦超聲波（FUS）可以改變神經(jīng)元的動作電位，即腦細(xì)胞用來相互交流的離子電流。超聲波還可以通過多普勒效應(yīng)測量局部血流變化來估計大腦區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)活動；該技術(shù)被稱為功能超聲成像（fUSI）。

Forest Neurotech首席技術(shù)官William Biederman表示，Butterfly的技術(shù)將使他的團(tuán)隊能夠構(gòu)建一種腦機接口，當(dāng)植入用戶的頭骨時，將使用超聲波“以亞毫米的精度”刺激和記錄大腦。

為什么在腦機接口中使用超聲波？

與其他神經(jīng)刺激和成像技術(shù)相比，超聲波具有一定的優(yōu)勢。對于刺激，聚焦超聲波可以從頭骨外靈活地靶向整個大腦的特定區(qū)域。相比之下，電刺激技術(shù)在空間上更為有限，因為電在腦組織中傳播的距離不遠(yuǎn)，因此電刺激大腦深處需要在相關(guān)部位附近放置電極的侵入性外科手術(shù)。從大腦進(jìn)行電記錄需要在頭皮上植入深層植入物或電極，這些電極只能記錄靠近表面的大腦區(qū)域的活動。通過超聲波記錄深層神經(jīng)活動不能通過頭骨完成，但可以通過移除一塊頭骨并將設(shè)備放置在大腦表面來完成。

Butterfly的超聲硬件將大型臨床超聲系統(tǒng)的音頻生成、控制和記錄功能放在一個芯片大小的設(shè)備上。Forest計劃使用這些超聲波芯片通過定向和聚焦的超聲波刺激大腦區(qū)域，并通過fUSI測量神經(jīng)活動。

fUSI技術(shù)通過測量血流的變化來估計神經(jīng)活動的變化。神經(jīng)元和所有細(xì)胞一樣，需要血液才能發(fā)揮作用。神經(jīng)活動的增加需要血流量的增加，fUSI技術(shù)通過將超聲波投射到感興趣的大腦區(qū)域并記錄反彈的波來測量血流量。當(dāng)聲音從大量流動的血液中反彈時，返回的聲波以與發(fā)出的聲波不同的頻率擺動。fUSI利用這種多普勒頻移現(xiàn)象來估計血流的變化，并通過代理來估計神經(jīng)元的電化學(xué)顫動。

Forest Neurotech公司顧問、加州理工學(xué)院教授Mikhail Shapiro說：“用血流來用功能性超聲波對神經(jīng)活動進(jìn)行成像效果非常好。它的效果比最初提出這個想法時任何人預(yù)期的都要好?！?/p>

超聲波可以記錄和控制神經(jīng)活動。盡管后一種現(xiàn)象至少從20世紀(jì)50年代就已經(jīng)為人所知，但科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定FUS為什么會引起神經(jīng)元放電。最近的實驗中，超聲波能量被引導(dǎo)到嚙齒類動物的孤立腦組織，這向神經(jīng)科學(xué)家表明，特定的鈣離子通道似乎被高頻聲波打開，盡管這種相互作用的確切物理機制仍然是個謎。

為了刺激和記錄腦機接口，F(xiàn)orest的系統(tǒng)需要在用戶的頭骨中植入多個Butterfly超聲波芯片。雖然超聲刺激通過骨骼是有效的，但fUSI記錄技術(shù)不是。聲音通過頭骨時會被抑制，傳出和返回的衰減使完全無創(chuàng)的超聲波記錄系統(tǒng)無法使用。相反，該公司計劃將傳感器放入頭骨，并與覆蓋大腦的保護(hù)膜硬腦膜表面齊平。

Butterfly Gardens項目，旨在將其技術(shù)提供給醫(yī)療設(shè)備團(tuán)隊。非營利組織Convergent Research旗下的Forest Neurotech專注于技術(shù)開發(fā)，而不是臨床設(shè)備的開發(fā)和營銷。Biederman說：“我們正在努力推動這類技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和使用。一旦這項技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，該公司計劃將其提供給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的其他研究組織，以進(jìn)行進(jìn)一步的產(chǎn)品和科學(xué)開發(fā)。