“腦機(jī)接口”新技術(shù)，用超聲波成像實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)“讀腦”

據(jù)最新一期《自然·神經(jīng)科學(xué)》雜志報(bào)道，一項(xiàng)新研究證實(shí)，美國加州理工學(xué)院研究人員開發(fā)的功能性超聲（FUS）技術(shù)可以成為一種“在線”腦機(jī)接口（BMI）的基礎(chǔ)，這種BMI可以讀取大腦活動，通過用機(jī)器學(xué)習(xí)編程的解碼器破譯其含義，從而控制一臺延時(shí)極短、可準(zhǔn)確預(yù)測運(yùn)動的計(jì)算機(jī)。

2021年，加州理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種使用功能性超聲讀取大腦活動的方法，這是一種侵入性小得多的技術(shù)。

超聲波成像的工作原理是發(fā)射高頻聲音脈沖，然后測量這些聲音振動在物質(zhì)（如人體的各種組織）中的回聲。聲波在這些組織類型中以不同的速度傳播，并在它們之間的邊界反射。這項(xiàng)技術(shù)通常用于拍攝子宮內(nèi)胎兒的圖像及其他診斷成像。

由于頭骨不能透過聲波，因此使用超聲波進(jìn)行腦部成像需要在頭骨上安裝一個(gè)透明的“窗口”。超聲波技術(shù)不需要植入大腦本身，這大大降低了感染的機(jī)會，并使腦組織及其保護(hù)性硬腦膜完好無損。

神經(jīng)元活動的變化會引起它們對氧氣等代謝資源的利用發(fā)生變化。這些資源通過血液重新補(bǔ)充，這是功能性超聲波的關(guān)鍵。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用超聲波來測量流向特定大腦區(qū)域的血流的變化。就像救護(hù)車的警報(bào)聲隨距離遠(yuǎn)近而改變音調(diào)一樣，紅細(xì)胞會在反射的超聲波接近聲源時(shí)增高音調(diào)，而在遠(yuǎn)離聲源時(shí)降低音調(diào)。

通過測量這種多普勒效應(yīng)，研究人員可以記錄大腦血液流動的微小變化，空間區(qū)域只有100微米寬，大約為一根頭發(fā)那么寬。他們能夠同時(shí)測量廣泛分布在整個(gè)大腦中的微小神經(jīng)細(xì)胞群的活動，其中一些小到只有60個(gè)神經(jīng)元。

研究人員使用功能性超聲來測量非人靈長類動物頂葉后皮質(zhì)（PPC）的大腦活動，該區(qū)域負(fù)責(zé)規(guī)劃并幫助執(zhí)行運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)動物被教會了兩項(xiàng)任務(wù)：移動手來引導(dǎo)屏幕上的光標(biāo)，移動眼睛看屏幕的特定部分。它們只需要考慮執(zhí)行任務(wù)，而不是實(shí)際移動眼睛或手，因?yàn)锽MI可以讀取它們的大腦活動。

超聲波數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)發(fā)送到解碼器，然后生成控制信號，將光標(biāo)移動到希望的地方。BMI能夠成功地對8個(gè)徑向目標(biāo)執(zhí)行此操作，而平均誤差很小。