科学家展示新型脑机接口技术

  据外媒报道,将神经活动映射到相应的行为是开发脑机接口(BMI)的神经科学家的主要目标:读取和解释大脑活动并将指令传输到计算机或机器的设备。虽然这看起来像是科幻小说,但现有的BMI可以,例如,将一个瘫痪的人与机械臂连接起来;该设备可以解释人的神经活动和意图,并相应地移动机械臂。BMI发展的一个主要限制是,设备需要进行侵入性的脑部手术来读出神经活动。但现在,加州理工学院的一个合作项目开发了一种新型的微创BMI,可以读出与运动规划相对应的大脑活动。

  利用功能性超声(fUS)技术,它可以从大脑深处的精确区域准确绘制大脑活动图,分辨率为100微米(单个神经元的大小约为10微米)。新的fUS技术是创造创伤性较小,但仍有很高能力的BMI的重要一步。

  “侵入形式的脑机接口已经可以让那些由于神经损伤或疾病而失去运动的人重新获得运动,”Andersen实验室的博士后研究员和新研究的共同第一作者Sumner Norman说。“不幸的是,只有少数最严重瘫痪的人有资格并愿意将电极植入他们的大脑。功能性超声是一种令人难以置信的新方法,可以在不损害脑组织的情况下记录详细的大脑活动。我们突破了超声神经成像的极限,并对它能预测运动感到兴奋。最令人兴奋的是,fUS是一项全新的技术,具有巨大的潜力--这只是我们为更多人带来高性能、低侵入性BMI的第一步。”

  描述这项工作的论文出现在2021年3月22日的《神经元》杂志上。

  一般来说,所有测量大脑活动的工具都有缺点。植入式电极(电生理)可以非常精确地测量单个神经元层面的活动,当然,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进行成像,但需要笨重而昂贵的机器。脑电图(EEGs)不需要手术,但只能测量低空间分辨率的活动。

  超声波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物质中回响,如人体的各种组织。声音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。这种技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像,以及其他诊断成像。

  超声波还可以“听到”器官的内部运动。例如,红血球就像一辆路过的救护车,当它们接近超声波源时,音调会增加,而当它们流走时,音调会降低。测量这种现象使得研究人员能够记录下大脑血流的微小变化,最小可达 100 微米(按人类头发宽度的比例)。

  “当大脑的某个部分变得更加活跃时,该区域的血流量就会增加。这项工作的一个关键问题是:如果我们有像功能性超声这样的技术 在空间和时间上能给我们提供大脑血流动态的高分辨率图像,是否有足够的信息从该成像中解读出一些有用的行为?” 研究人员Mikhail Shapiro说。“答案是肯定的。这种技术产生了我们目标区域神经信号动态的详细图像,这是用其他非侵入性技术(如fMRI)无法看到的。我们产生了接近电生理学的细节水平,但过程的侵入性要小得多。”

  2015年,Shapiro邀请功能性超声技术的先驱Mickael Tanter在加州理工学院举办研讨会,合作由此开始。前Andersen实验室博士后学者Vasileios Christopoulos(现为加州大学河滨分校副教授)参加了此次讲座,并提出了合作建议。随后,Shapiro、Andersen和Tanter获得了美国国立卫生研究院BRAIN计划的资助,继续进行研究。在加州理工学院的工作由 Norman、前Shapiro罗实验室博士后研究员David Maresca和Christopoulos领导。与Norman一起,Maresca和Christopoulos是这项新研究的共同第一作者。

  这项技术是借助非人类灵长类动物开发的,它们被教导做一些简单的任务,包括当得到某些提示时,它们的眼睛或肢体向某些方向移动。当灵长类动物完成任务时,fUS测量了后顶叶皮层(PPC)的大脑活动,这是一个参与规划运动的大脑区域。Andersen实验室对PPC的研究已经有几十年了,之前已经利用电生理学创建了该区域的大脑活动图。为了验证fUS的准确性,研究人员将fUS的大脑成像活动与之前获得的详细电生理学数据进行了比较。

  接下来,通过加州理工学院T&C Chen脑机接口中心的支持,该团队旨在了解fUS图像中的活动依赖性变化是否可以用来解码非人类灵长类动物的意图,甚至在它发起运动之前。然后,超声成像数据和相应的任务被一个机器学习算法处理,该算法学习哪些大脑活动模式与哪些任务相关。一旦该算法被训练,它就会收到从非人类灵长类动物身上实时收集的超声数据。

  该算法在几秒钟内预测了非人灵长类动物将要进行的行为(眼球运动或伸出前肢),运动的方向(左或右),以及它们计划何时进行运动。

  “第一个里程碑是表明超声波可以捕捉到与计划身体运动的思想有关的大脑信号,”在超声波成像方面具有专业知识的Maresca说。“功能性超声成像设法记录这些信号,其灵敏度和分辨率比功能性核磁共振成像高10倍。这一发现是基于功能超声的脑机接口成功的核心。”

  “目前的高分辨率脑机接口使用电极阵列,需要进行脑部手术,包括打开颅骨和大脑之间的坚固纤维膜--硬脑膜,并将电极直接植入大脑。但超声波信号可以无创地穿过硬膜和大脑。只需要在颅骨中植入一个小的超声透明窗口,这种手术的创伤性明显小于植入电极所需的创伤性。”Andersen.说。

  虽然这项研究是在非人类灵长类动物身上进行的,但目前正在与南加州大学神经外科医生Charles Liu博士合作,对那些因为脑外伤而切除一块头骨的人类志愿者进行技术研究。由于超声波可以不受影响地通过这些“声学窗口”,因此将可以研究功能性超声波对这些人的大脑活动的测量和解码能力。

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