腦機(jī)接口（BMIs）在全球的研究正如火如荼，神經(jīng)科學(xué)家們希望通過(guò)這樣一種設(shè)備將神經(jīng)活動(dòng)映射到相應(yīng)的行為，它以讀取和解釋大腦活動(dòng)，并向計(jì)算機(jī)或機(jī)器發(fā)送指令。
實(shí)際上，現(xiàn)有的腦機(jī)接口已經(jīng)帶給人類(lèi)一些驚喜。例如，用機(jī)械手臂連接癱瘓的人，這一裝置可以解釋人的神經(jīng)活動(dòng)和意圖，并相應(yīng)地移動(dòng)機(jī)械臂。但究竟哪種“讀心術(shù)”更精確完美？目前科學(xué)家仍在探索中。當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月22日，神經(jīng)科學(xué)頂級(jí)期刊《神經(jīng)元》（Neuron）在線發(fā)表了由美國(guó)加州理工學(xué)院的生物與生物工程學(xué)系、陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）等團(tuán)隊(duì)的研究人員聯(lián)合完成的一項(xiàng)研究，題為“Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging”。研究通訊作者為陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心主任Richard Andersen教授、長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)成像和細(xì)胞功能控制分子技術(shù)的Mikhail Shapiro教授。
據(jù)加州理工學(xué)院介紹，這項(xiàng)合作研究始于2015年Shapiro邀請(qǐng)功能性超聲領(lǐng)域的先驅(qū)、法國(guó)巴黎文理研究大學(xué)的Mickael Tanter教授在加州理工學(xué)院做一個(gè)研討會(huì)。Shapiro、Andersen和Tanter隨后獲得了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院腦計(jì)劃撥款，繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)研究。
研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是打破目前腦機(jī)接口發(fā)展的一個(gè)主要限制，也就是設(shè)備需要侵入性的腦部手術(shù)來(lái)讀取神經(jīng)活動(dòng)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的微創(chuàng)腦機(jī)接口，它可以讀出與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的大腦活動(dòng)。他們使用了功能性超聲(fUS)技術(shù)，它可以精確地繪制大腦深處精確區(qū)域的活動(dòng)，分辨率為100微米，單個(gè)神經(jīng)元大小約為10微米。
沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Krishna Shenoy說(shuō)，“這項(xiàng)研究將使超聲波作為一種腦機(jī)接口技術(shù)而出名，把它添加到‘工具包’中是非常了不起的?！?br />在加州理工學(xué)院對(duì)該研究的報(bào)道中，Andersen實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、這項(xiàng)研究的共同第一作者Sumner Norman說(shuō)，“侵入式的腦機(jī)接口已經(jīng)可以讓那些因神經(jīng)損傷或疾病失去運(yùn)動(dòng)能力的人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力?！辈恍业氖牵挥猩贁?shù)最嚴(yán)重的癱瘓患者有資格并愿意將電極植入他們的大腦。
Norman說(shuō)，“功能性超聲波是一種非常令人興奮的新方法，可以在不損傷腦組織的情況下記錄大腦的詳細(xì)活動(dòng)。我們突破了超聲波神經(jīng)成像的限制，并為它可以預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)而激動(dòng)不已。最令人興奮的是，fUS是一項(xiàng)具有巨大潛力的新技術(shù)，這只是我們將高性能、低侵入性腦機(jī)接口帶給更多患者的第一步?！笨傮w而言，所有測(cè)量大腦活動(dòng)的工具都有缺點(diǎn)。例如，植入電極(電生理學(xué))可以非常精確地測(cè)量單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，但是它需要將這些電極植入大腦；功能性磁共振成像(fMRI)等非侵入性技術(shù)可以對(duì)整個(gè)大腦成像，但需要笨重昂貴的機(jī)器；腦電圖(EEGs)不需要手術(shù)，但只能在低空間分辨率下測(cè)量活動(dòng)。
超聲波的工作原理是發(fā)射高頻聲波脈沖，并測(cè)量這些聲波振動(dòng)如何在物質(zhì)中產(chǎn)生回聲，例如人體的各種組織。聲音在這些組織類(lèi)型中以不同的速度傳播，并在它們之間的邊界上反射。我們所熟知的是，這項(xiàng)技術(shù)目前通常被用于子宮內(nèi)胎兒的成像，以及其他診斷成像。
而超聲波也能“聽(tīng)到”器官的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。例如，紅血球就像一輛經(jīng)過(guò)的救護(hù)車(chē)，當(dāng)它們接近超聲波源時(shí)，音高會(huì)增加，當(dāng)它們離開(kāi)時(shí)音高會(huì)減少。通過(guò)測(cè)量這一現(xiàn)象，研究人員可以記錄到大腦血液流動(dòng)的微小變化。
“當(dāng)大腦的某一部分變得更加活躍時(shí)，流向該區(qū)域的血流量就會(huì)增加。這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：如果我們有一種技術(shù)，比如功能性超聲波，可以為我們提供大腦血流動(dòng)力學(xué)在空間和時(shí)間上的高分辨率圖像，那么這種成像是否有足夠的信息來(lái)解碼有關(guān)行為的有用信息？”
Shapiro表示，答案是肯定的，這項(xiàng)技術(shù)可以產(chǎn)生目標(biāo)區(qū)域神經(jīng)信號(hào)動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)圖像，這是其他比如功能磁共振成像(fMRI)等非侵入性技術(shù)所無(wú)法看到的。我們能獲得接近電生理學(xué)的細(xì)節(jié)，但侵入性要小得多。”
為驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)，研究人員在兩只恒河猴的頭骨中插入了一些小的超聲波換能器，其大小和形狀與多米諾骨牌差不多。猴子被教會(huì)做一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，包括在特定的提示下向特定的方向移動(dòng)眼睛或手臂。
當(dāng)這些靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物完成任務(wù)時(shí)，功能性超聲波測(cè)量了后頂葉皮層(PPC)的大腦活動(dòng)，PPC是大腦中參與計(jì)劃運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。Andersen實(shí)驗(yàn)室研究PPC已經(jīng)有幾十年，之前實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)使用電生理學(xué)繪制了該區(qū)域的大腦活動(dòng)圖。為驗(yàn)證功能性超聲波的準(zhǔn)確性，研究人員將功能性超聲波的腦成像活動(dòng)與先前獲得的電生理學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
接下來(lái)，在加州理工學(xué)院陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心的支持下，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是看看功能性超聲波圖像中依賴(lài)于活動(dòng)的變化是否可以用來(lái)解碼非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的意圖，甚至在它開(kāi)始運(yùn)動(dòng)之前。然后，超聲波成像數(shù)據(jù)和相應(yīng)的任務(wù)由機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理，算法旨在了解大腦活動(dòng)模式與哪些任務(wù)相關(guān)。
研究顯示，在幾秒鐘內(nèi)預(yù)測(cè)出非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物將要進(jìn)行的行為(眼球運(yùn)動(dòng)或伸展)、運(yùn)動(dòng)方向(向左或向右)，以及它們計(jì)劃何時(shí)運(yùn)動(dòng)。論文顯示，這一新方法預(yù)測(cè)猴子眼球運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率約為78%，預(yù)測(cè)伸展運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率為89%?！暗谝粋€(gè)里程碑是證明超聲波可以捕捉到與計(jì)劃身體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦信號(hào)?！闭撐牡墓餐谝蛔髡逥avid Maresca說(shuō)，“功能性超聲成像記錄這些信號(hào)的靈敏度和分辨率是功能性磁共振成像的10倍，這一發(fā)現(xiàn)是基于功能超聲的腦機(jī)接口成功的核心。”
“目前高分辨率的腦機(jī)接口使用電極陣列，需要進(jìn)行腦部手術(shù)，包括打開(kāi)硬腦膜(頭骨和大腦之間的強(qiáng)纖維膜)，并將電極直接植入大腦。但是超聲波信號(hào)可以非侵入性地穿過(guò)硬腦膜和大腦，這種手術(shù)比植入電極的侵入性要小得多?！盇ndersen說(shuō)。
另外值得值得一提的是，此前有兩項(xiàng)研究曾使用猴子大腦的功能性超聲數(shù)據(jù)來(lái)重建動(dòng)物所看到的東西或它們的眼球運(yùn)動(dòng)。但要做到這一點(diǎn)，就需要對(duì)長(zhǎng)時(shí)間周期或多次運(yùn)動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行平均。在這項(xiàng)新研究中，研究人員收集了足夠的數(shù)據(jù)，以便在每次實(shí)驗(yàn)中、每次猴子計(jì)劃運(yùn)動(dòng)時(shí)做出預(yù)測(cè)。
“這是一個(gè)重要的特征?！蹦{什大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Maureen Hagan說(shuō)，“例如，機(jī)械手臂的用戶(hù)只需要考慮一次他們想要的運(yùn)動(dòng)，就可以讓手臂移動(dòng)。你不希望實(shí)驗(yàn)對(duì)象不得不做很多嘗試的動(dòng)作來(lái)解讀他們的意圖?！?br />值得一提的是，雖然目前發(fā)表的這項(xiàng)研究是在非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上進(jìn)行的，但據(jù)加州理工學(xué)院介紹，研究團(tuán)隊(duì)與南加州大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生Charles Liu合作的另一項(xiàng)工作正在進(jìn)行中，目的就是研究這項(xiàng)新技術(shù)，參與的人類(lèi)志愿者通常是由于腦外傷而移除了一塊頭骨。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，因?yàn)槌暡梢圆皇苡绊懙赝ㄟ^(guò)這些“聲窗”，所以研究功能性超聲波如何測(cè)量和解碼這些個(gè)體的大腦活動(dòng)將成為可能。
斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Shenoy還評(píng)價(jià)道，下一步的關(guān)鍵是使用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人的手或光標(biāo)。他補(bǔ)充說(shuō)，從可以解碼的動(dòng)作的速度和復(fù)雜性層面來(lái)說(shuō)，功能性超聲波“在開(kāi)始接近植入技術(shù)的水平之前還有很長(zhǎng)的路要走?！?br />例如，植入電極已經(jīng)可以對(duì)手臂的多個(gè)方向進(jìn)行解碼，而不僅僅是左右方向。但有些病人可能更喜歡一種不用穿透大腦就能將它們連接到電腦上的假體， “患者希望可以選擇。”Shenoy說(shuō)。
馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家Emilie Macé補(bǔ)充說(shuō)，由于血流信號(hào)比電信號(hào)更加緩慢，速度是功能性超聲波固有的局限性。Macé指出，研究人員需要大約2秒的時(shí)間來(lái)解碼猴子的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。但她同時(shí)表示，只要電腦能夠根據(jù)用戶(hù)的提示快速引導(dǎo)機(jī)械手臂的精細(xì)運(yùn)動(dòng)，超聲波仍然可以引導(dǎo)機(jī)械手臂。
Macé還預(yù)測(cè)了該技術(shù)的許多未來(lái)改進(jìn)，包括通過(guò)對(duì)組織的3D成像而不是平面成像來(lái)收集更多信息?！斑@項(xiàng)技術(shù)絕對(duì)還沒(méi)有發(fā)揮出全部潛力?！?
