脑机接口（BMI）是可以读取大脑活动并将该活动转换为控制假肢或计算机光标等电子设备的设备。科学家们希望能借用BMI使瘫痪的人能够用自己的思想移动假肢装置。
许多BMI需要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性超声（fUS） 读取大脑活动的方法，这是一种侵入性小得多的技术。
现在，一项新的研究是一个概念验证，即fUS技术可以成为“在线”BMI的基础——一种读取大脑活动，使用机器学习编程的解码器破译其含义，从而控制计算机，该计算机可以以非常小的延迟时间准确预测运动。
该研究是在Richard Andersen的加州理工学院实验室进行的，Richard Andersen是James G. Boswell神经科学教授，也是T&C Chen脑机接口中心主任兼领导主席；Mikhail Shapiro，Max Delbrück化学工程和医学工程教授，Howard Hughes Medical Institute研究员。这项工作是与法国巴黎INSERM医学物理主任Mickael Tanter实验室合作完成的。
“功能性超声是一种全新的方式，可以添加到可以帮助瘫痪患者的脑机接口工具箱中。”Andersen说，“它提供了有吸引力的选择，比大脑植入物的侵入性更小，并且不需要不断重新校准。这项技术是作为一项真正的协作努力而开发的，无法仅靠一个实验室完成。”
“一般来说，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研究助理、该研究的共同第一作者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，并且很难扩展到几个以上的小大脑区域。非侵入性技术也需要权衡取舍。功能性磁共振成像 [fMRI] 提供全脑通路，但受到灵敏度和分辨率的限制。脑电图（EEG）等便携式方法受到信号质量差和无法定位深部脑功能的阻碍。”
超声成像的工作原理是发射高频声音脉冲并测量这些声音振动如何在整个物质（例如人体的各种组织）中回响。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处反射。该技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像和其他诊断成像。”
由于头骨本身对声波不具有渗透性，因此使用超声波进行脑成像需要在头骨中安装一个透明的“窗口”。“重要的是，超声波技术不需要植入大脑本身。”该研究的共同第一作者Whitney Griggs说，“这大大降低了感染的机会，并使脑组织及其保护性硬脑膜完好无损。”
“随着神经元活动的变化，它们对氧气等代谢资源的使用也在变化。”Norman说，“这些资源通过血液补充，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。就像救护车警笛的声音在离你越来越近和远离你时会改变音调一样，红细胞在接近声源时会增加反射超声波的音调，在它们流走时会降低音调。”
通过测量这种多普勒效应现象，研究人员能够记录大脑血流的微小变化，这些变化只有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整个大脑中微小的神经群的活动，有些小到只有60个神经元。
研究人员使用功能性超声来测量非人类灵长类动物后顶叶皮层（PPC）的大脑活动，该区域控制运动计划并有助于运动的执行。几十年来，安徒生实验室一直在使用其他技术对该地区进行研究。
这些动物被教导了两项任务，要求它们要么计划移动手以将光标指向屏幕上，要么计划移动眼睛以查看屏幕的特定部分。他们只需要考虑执行任务，而不是实际移动他们的眼睛或手，因为 BMI 会在他们的 PPC 中读取计划活动。
“我记得二十年前，当这种预测性解码与电极一起使用时，这是多么令人印象深刻，现在看到它与超声波等侵入性更小的方法一起使用，真是太神奇了，”夏皮罗说。
超声波数据被实时发送到解码器（以前经过训练，可以使用机器学习来解码该数据的含义），随后生成控制信号，将光标移动到动物想要去的地方。BMI 能够成功地对8个径向目标进行此操作，平均误差小于 40 度。
“重要的是，与其他BMI不同，该技术不需要每天重新校准BMI。”Griggs说，“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，以实现三维成像以提高准确性。
信息源于：medicalxpress
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