陈天桥雒芊芊脑机接口中心等团队研究登顶刊:超声波“读心”

脑机接口(BMIs)在全球的研究正如火如荼,神经科学家们希望通过这样一种设备将神经活动映射到相应的行为,它以读取和解释大脑活动,并向计算机或机器发送指令。

实际上,现有的脑机接口已经带给人类一些惊喜。例如,用机械手臂连接瘫痪的人,这一装置可以解释人的神经活动和意图,并相应地移动机械臂。但究竟哪种“读心术”更精确完美?目前科学家仍在探索中。

当地时间3月22日,神经科学顶级期刊《神经元》(Neuron)在线发表了由美国加州理工学院的生物与生物工程学系、陈天桥雒芊芊脑机接口中心(T&C Chen Brain-Machine Interface Center)等团队的研究人员联合完成的一项研究,题为“Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging”。研究通讯作者为陈天桥雒芊芊脑机接口中心主任Richard Andersen教授、长期开发无创成像和细胞功能控制分子技术的Mikhail Shapiro教授。

据加州理工学院介绍,这项合作研究始于2015年Shapiro邀请功能性超声领域的先驱、法国巴黎文理研究大学的Mickael Tanter教授在加州理工学院做一个研讨会。Shapiro、Andersen和Tanter随后获得了美国国立卫生研究院脑计划拨款,继续进行这项研究。

研究团队的目标是打破目前脑机接口发展的一个主要限制,也就是设备需要侵入性的脑部手术来读取神经活动。研究人员开发了一种新型的微创脑机接口,它可以读出与运动计划相对应的大脑活动。他们使用了功能性超声(fUS)技术,它可以精确地绘制大脑深处精确区域的活动,分辨率为100微米,单个神经元大小约为10微米。

没有参与这项研究的斯坦福大学神经科学家Krishna Shenoy说,“这项研究将使超声波作为一种脑机接口技术而出名,把它添加到‘工具包’中是非常了不起的。”

在加州理工学院对该研究的报道中,Andersen实验室的博士后研究员、这项研究的共同第一作者Sumner Norman说,“侵入式的脑机接口已经可以让那些因神经损伤或疾病失去运动能力的人恢复运动能力。”不幸的是,只有少数最严重的瘫痪患者有资格并愿意将电极植入他们的大脑。

Norman说,“功能性超声波是一种非常令人兴奋的新方法,可以在不损伤脑组织的情况下记录大脑的详细活动。我们突破了超声波神经成像的限制,并为它可以预测运动而激动不已。最令人兴奋的是,fUS是一项具有巨大潜力的新技术,这只是我们将高性能、低侵入性脑机接口带给更多患者的第一步。”

总体而言,所有测量大脑活动的工具都有缺点。例如,植入电极(电生理学)可以非常精确地测量单个神经元的活动,但是它需要将这些电极植入大脑;功能性磁共振成像(fMRI)等非侵入性技术可以对整个大脑成像,但需要笨重昂贵的机器;脑电图(EEGs)不需要手术,但只能在低空间分辨率下测量活动。

超声波的工作原理是发射高频声波脉冲,并测量这些声波振动如何在物质中产生回声,例如人体的各种组织。声音在这些组织类型中以不同的速度传播,并在它们之间的边界上反射。我们所熟知的是,这项技术目前通常被用于子宫内胎儿的成像,以及其他诊断成像。

而超声波也能“听到”器官的内部运动。例如,红血球就像一辆经过的救护车,当它们接近超声波源时,音高会增加,当它们离开时音高会减少。通过测量这一现象,研究人员可以记录到大脑血液流动的微小变化。

“当大脑的某一部分变得更加活跃时,流向该区域的血流量就会增加。这项工作的一个关键问题是:如果我们有一种技术,比如功能性超声波,可以为我们提供大脑血流动力学在空间和时间上的高分辨率图像,那么这种成像是否有足够的信息来解码有关行为的有用信息?”

Shapiro表示,答案是肯定的,这项技术可以产生目标区域神经信号动力学的详细图像,这是其他比如功能磁共振成像(fMRI)等非侵入性技术所无法看到的。我们能获得接近电生理学的细节,但侵入性要小得多。”

为验证团队的这项技术,研究人员在两只恒河猴的头骨中插入了一些小的超声波换能器,其大小和形状与多米诺骨牌差不多。猴子被教会做一些简单的任务,包括在特定的提示下向特定的方向移动眼睛或手臂。

当这些灵长类动物完成任务时,功能性超声波测量了后顶叶皮层(PPC)的大脑活动,PPC是大脑中参与计划运动的区域。Andersen实验室研究PPC已经有几十年,之前实验室已经使用电生理学绘制了该区域的大脑活动图。为验证功能性超声波的准确性,研究人员将功能性超声波的脑成像活动与先前获得的电生理学数据进行了比较。

接下来,在加州理工学院陈天桥雒芊芊脑机接口中心的支持下,研究团队的目标是看看功能性超声波图像中依赖于活动的变化是否可以用来解码非人类灵长类动物的意图,甚至在它开始运动之前。然后,超声波成像数据和相应的任务由机器学习算法处理,算法旨在了解大脑活动模式与哪些任务相关。

研究显示,在几秒钟内预测出非人类灵长类动物将要进行的行为(眼球运动或伸展)、运动方向(向左或向右),以及它们计划何时运动。论文显示,这一新方法预测猴子眼球运动的准确率约为78%,预测伸展运动的准确率为89%。

“第一个里程碑是证明超声波可以捕捉到与计划身体运动相关的大脑信号。”论文的共同第一作者David Maresca说,“功能性超声成像记录这些信号的灵敏度和分辨率是功能性磁共振成像的10倍,这一发现是基于功能超声的脑机接口成功的核心。”

“目前高分辨率的脑机接口使用电极阵列,需要进行脑部手术,包括打开硬脑膜(头骨和大脑之间的强纤维膜),并将电极直接植入大脑。但是超声波信号可以非侵入性地穿过硬脑膜和大脑,这种手术比植入电极的侵入性要小得多。”Andersen说。

另外值得值得一提的是,此前有两项研究曾使用猴子大脑的功能性超声数据来重建动物所看到的东西或它们的眼球运动。但要做到这一点,就需要对长时间周期或多次运动的信号进行平均。在这项新研究中,研究人员收集了足够的数据,以便在每次实验中、每次猴子计划运动时做出预测。

“这是一个重要的特征。”莫纳什大学的神经科学家Maureen Hagan说,“例如,机械手臂的用户只需要考虑一次他们想要的运动,就可以让手臂移动。你不希望实验对象不得不做很多尝试的动作来解读他们的意图。”

值得一提的是,虽然目前发表的这项研究是在非人类灵长类动物身上进行的,但据加州理工学院介绍,研究团队与南加州大学神经外科医生Charles Liu合作的另一项工作正在进行中,目的就是研究这项新技术,参与的人类志愿者通常是由于脑外伤而移除了一块头骨。

研究团队认为,因为超声波可以不受影响地通过这些“声窗”,所以研究功能性超声波如何测量和解码这些个体的大脑活动将成为可能。

斯坦福大学神经科学家Shenoy还评价道,下一步的关键是使用计算机实时预测来引导机器人的手或光标。他补充说,从可以解码的动作的速度和复杂性层面来说,功能性超声波“在开始接近植入技术的水平之前还有很长的路要走。”

例如,植入电极已经可以对手臂的多个方向进行解码,而不仅仅是左右方向。但有些病人可能更喜欢一种不用穿透大脑就能将它们连接到电脑上的假体, “患者希望可以选择。”Shenoy说。

马克斯·普朗克神经生物学研究所的神经科学家Emilie Macé补充说,由于血流信号比电信号更加缓慢,速度是功能性超声波固有的局限性。Macé指出,研究人员需要大约2秒的时间来解码猴子的运动计划。但她同时表示,只要电脑能够根据用户的提示快速引导机械手臂的精细运动,超声波仍然可以引导机械手臂。

Macé还预测了该技术的许多未来改进,包括通过对组织的3D成像而不是平面成像来收集更多信息。“这项技术绝对还没有发挥出全部潜力。”

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