腦機接口案例：如何用超聲波技術(shù)實現(xiàn)無創(chuàng)“讀腦”

近期，頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》子刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》最新一期公布了一份研究成果：美國加州理工學(xué)院研究團隊基于腦機接口（BMI），開發(fā)了一種功能性超聲（fUS）神經(jīng)影像新興技術(shù)，通過在兩只恒河猴上進行實驗測試，最終發(fā)現(xiàn)，fUS技術(shù)可以成為“在線”BMI基礎(chǔ)——它可以讀取大腦活動，通過用機器學(xué)習(xí)編程的解碼器破譯其含義，從而控制一臺延時極短、可準(zhǔn)確預(yù)測運動的計算機。

這一研究發(fā)現(xiàn)為確認(rèn)超聲腦機接口技術(shù)的可行性，以及新型微創(chuàng)（硬膜外）腦機接口技術(shù)發(fā)展提供重要指引依據(jù)。

本論文作者、美國加州理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授、天橋腦科學(xué)研究院（TCCI）腦機接口中心主任Richard Andersen教授表示，fUS是一種全新的模式，它提供了比大腦植入物侵入性更小、有吸引力的選擇方案，并且不需要持續(xù)重新校準(zhǔn)，從而可添加到腦機接口方案中，幫助更多癱瘓患者恢復(fù)神經(jīng)損傷。

據(jù)悉，TCCI是由盛大集團創(chuàng)始人陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元創(chuàng)建的支持人類腦科學(xué)研究的科研機構(gòu)。據(jù)官網(wǎng)消息稱，陳天橋夫婦曾捐贈1.15億美元資助加州理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)研究所。本研究是在該研究所Richard Andersen實驗室進行的，同時還獲得TCCI腦機接口中心和美國國立衛(wèi)生研究院等機構(gòu)的資金支持。

“這項技術(shù)是作為一項真正的協(xié)作努力而開發(fā)的，無法僅靠一個實驗室來完成。”Richard Andersen表示。

《科技日報》對此發(fā)表評論文章稱，“帶有濃濃科幻色彩的腦機接口技術(shù)，正在走進現(xiàn)實。不過從目前來看，這項技術(shù)仍處于起步階段，存在諸多不足。而與腦機接口相關(guān)的腦科學(xué)、電子信息技術(shù)、材料學(xué)等領(lǐng)域的科研進展，將不斷助推這項技術(shù)迭代升級?！?/p>

據(jù)悉，腦機接口（Brain-Machine Interface，BMI，也稱BCI）是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。具體來說，腦機接口技術(shù)可分為非侵入式、半侵入式以及侵入式三種。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院長聘教授高小榕表示，腦機接口是很多學(xué)科交叉而形成的一個科學(xué)領(lǐng)域。它是個硬核科技，并非其他領(lǐng)域研究的技術(shù)延伸，而是一個重要的技術(shù)匯聚。他認(rèn)為，腦機接口未來將是一個不可或缺的前沿技術(shù)。

隨著特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）成立Neuralink，對腦機接口技術(shù)持續(xù)投入，進一步讓它變得炙手可熱，倍受社會關(guān)注。目前，腦機接口技術(shù)已能夠完成單詞拼寫，設(shè)備控制，游戲交互等功能，以及豬、猴子這類動物性實驗，而且腦機芯片、腦電采集平臺、產(chǎn)品和應(yīng)用、醫(yī)療機構(gòu)等產(chǎn)業(yè)鏈上下游均有企業(yè)布局。

然而，當(dāng)前腦機接口技術(shù)并不完美。隨著腦機接口可以使慢性癱瘓患者能夠僅用思想來控制計算機、機器人等，但現(xiàn)有的腦機接口技術(shù)在侵入性、性能、空間覆蓋等方面需要權(quán)衡。比如，侵入式腦機接口往往對使用者身體帶來損傷，甚至容易在創(chuàng)口引起炎癥反應(yīng)；非侵入式的腦機接口需要佩戴笨重的頭盔，體驗感有待改進等。此外，每天使用腦機接口設(shè)備之前，患者和醫(yī)生還需要共同重新校準(zhǔn)計算設(shè)備高達15分鐘以上。

為了解決這些問題，2021年，加州理工學(xué)院Richard Andersen教授團隊就開發(fā)了一種新的、侵入性小得多的讀取大腦活動方法：功能性超聲（fUS）神經(jīng)影像技術(shù)。其技術(shù)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，然后聲波以不同類型、不同速度傳播，并在它們之間的邊界反射。此前，該技術(shù)通常被用于拍攝孕婦子宮內(nèi)胎兒及其他診斷圖像。

這次，Richard Andersen教授團隊以“使用閉環(huán)超聲腦機接口解碼運動計劃”為題，將fUS技術(shù)在腦機接口領(lǐng)域的研究和實驗過程信息發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》雜志中。

首先，論文中提到，fUS是一種平衡且補充現(xiàn)有的腦機接口技術(shù)瓶頸的技術(shù)。而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。他們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。他們能夠同時測量廣泛分布在整個大腦中的微小神經(jīng)細(xì)胞群的活動，其中一些小到只有60個神經(jīng)元。

其次，論文中指出，為了表明這一方法可成功實施，實驗團隊進行了一場恒河猴身上的腦機接口動物實驗。通過在兩只恒河猴進行眼睛和手部運動時的后頂葉皮層傳輸fUS數(shù)據(jù)，來測量非人靈長類動物頂葉后皮質(zhì)（PPC）的大腦活動——規(guī)劃并幫助執(zhí)行運動。實驗期間，研究人員訓(xùn)練恒河猴，并且使得實驗動物被教會了兩項任務(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)，而不是實際移動眼睛或手，因為腦機接口可以讀取它們的大腦活動。

最后，超聲波數(shù)據(jù)被實時發(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。最終完成訓(xùn)練后的實驗猴子，可以使用計算機控制多達八個運動（徑向目標(biāo)）方向，控制平均誤差小于40度。同時，團隊還開發(fā)了一種預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的腦機接口方法，使得猴子可以實時對計算機進行控制和反饋。

在恒河猴實驗中植入fUS技術(shù)的整個過程（圖片來源：論文）

本論文第一作者、加州理工學(xué)院博士后客座研究員薩姆納·諾曼（Sumner L. Norman）表示，相對于功能磁共振成像（fMRI）、腦電圖（EEG）等其他技術(shù)來說，fUS技術(shù)方案可以更好定位深部大腦功能，實現(xiàn)腦機接口的最佳反饋。此外，Norman還是神經(jīng)科學(xué)公司Forest Neurotech聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO。

本論文作者、加州理工學(xué)院化學(xué)與醫(yī)學(xué)工程系教授Mikhail Shapiro表示，“我記得二十年前當(dāng)這種預(yù)測解碼與電極一起使用時是多么令人印象深刻，而現(xiàn)在，看到它與超聲波等侵入性小得多的方法一起使用時，真是令人驚奇?！?/p>

另外，除了加州理工學(xué)院團隊外，法國巴黎INSERM醫(yī)學(xué)物理Mickael Tanter實驗室團隊也參與了該研究過程。

值得注意的是，本研究還由T&C Chen腦機接口中心資助、Richard Andersen實驗室中進行的。

據(jù)悉，天橋腦科學(xué)研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）成立于2016年，是由陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元創(chuàng)建的，旨在聚焦AI＋腦科學(xué)，支持、推進全球范圍內(nèi)腦科學(xué)研究，造福全人類，目前已經(jīng)成為知名的支持人類腦科學(xué)研究的科研機構(gòu)。2022年12月，耗資2.4億美元、占地15萬平方英尺的全新加州理工學(xué)院天橋神經(jīng)科學(xué)研究大樓 (CNRB）建成。

與此同時，TCCI還重點投入于中國本土科研，TCCI一期投入5億元人民幣支持中國的腦科學(xué)研究，與上海周良輔醫(yī)學(xué)發(fā)展基金會合作成立上海陳天橋腦健康研究所（又名TCCI轉(zhuǎn)化中心），致力于提升腦健康和腦疾病治療研究和成果轉(zhuǎn)化。后又與華山醫(yī)院、上海市精神衛(wèi)生中心等建立戰(zhàn)略合作，設(shè)立了應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實驗室、人工智能與精神健康前沿實驗室。

在國際上，TCCI與加州理工學(xué)院合作成立TCCI加州理工研究院，設(shè)腦機接口、社交與決策神經(jīng)科學(xué)、系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)、分子與細(xì)胞神經(jīng)科學(xué)、大腦成像、神經(jīng)科學(xué)教育等多個中心，重點關(guān)注大腦基礎(chǔ)研究。TCCI還在北美、亞洲、歐洲、大洋洲主辦、資助了200多場高質(zhì)量的學(xué)術(shù)會議。

盛大網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)始人、天橋腦科學(xué)研究院創(chuàng)始人陳天橋曾對鈦媒體App表示，TCCI不介入科研研究，只是資助身份，讓科學(xué)家放開手腳去做一些很重磅的研究課題，只要最終能夠落地，對人類有貢獻，有幫助，足矣。將“不計成本”的支持科學(xué)家開放研究。

“我們TCCI搜遍世界上的科學(xué)家和實驗室，通過5~10個實驗室，建立早期的技術(shù)模型，不但要資助，而且要將最具潛力、前途的科學(xué)家挖進我們的實驗室，給他們學(xué)術(shù)自由、給他們資金，讓這些科學(xué)家發(fā)揮才能，能夠做出一個非侵入式的，為人類造福的腦科學(xué)技術(shù)解決方案?！标愄鞓虮硎?。

據(jù)了解，未來，Richard Andersen團隊還計劃研究基于超聲技術(shù)的腦機接口技術(shù)如何在人體中發(fā)揮作用，并進一步開發(fā)fUS技術(shù)，從而實現(xiàn)三維成像以提高準(zhǔn)確性。

審核編輯：黃飛