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超聲波“讀心術(shù)”迎來(lái)重大進(jìn)展！

鈦媒體獲悉，近日，神經(jīng)科學(xué)頂級(jí)期刊《神經(jīng)元》（Neuron）在線發(fā)表了由陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）、美國(guó)加州理工學(xué)院的生物與生物工程學(xué)系等團(tuán)隊(duì)完成的一項(xiàng)“基于功能超聲神經(jīng)成像的運(yùn)動(dòng)意圖單次解碼”的論文。通過(guò)研究人員開(kāi)發(fā)的一種新型的微創(chuàng)腦機(jī)接口，使用了功能性超聲(fUS)技術(shù)，其可以精確地繪制大腦深處精確區(qū)域的活動(dòng)，并讀出與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的大腦活動(dòng)。這一電級(jí)分辨率為100微米，單個(gè)神經(jīng)元大小約為10微米，十分微小。

據(jù)悉，本論文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，而該研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，是通過(guò)新的fUS技術(shù)來(lái)打破目前腦機(jī)接口發(fā)展的一個(gè)主要限制，即不需要介入腦部手術(shù)插入很深的電極，侵入性較小但可以讀取更多神經(jīng)活動(dòng)信息。

“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。”本論文第一作者，Andersen實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員薩姆納·諾曼（Sumner Norman）表示，這一研究突破了超聲神經(jīng)成像技術(shù)的極限，通過(guò)fUS這一項(xiàng)具有巨大潛力的技術(shù)，為更多需要腦損傷患者帶來(lái)福音。本研究是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大腦機(jī)接口技術(shù)（BCI）的重要一步。

實(shí)際上，大腦是一個(gè)很復(fù)雜的器官，如果通過(guò)CT影像拍攝，只能看到腦內(nèi)的一處，或是模糊不清地觀察到腦內(nèi)靜態(tài)情況，人類對(duì)于腦部的了解都是片面的。而腦機(jī)接口的重要性在于，其可在人或動(dòng)物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立起直接通路。一方面，腦機(jī)設(shè)備可以將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識(shí)別的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的有效控制；另一方面也可以接收來(lái)自機(jī)器的反饋，從外部實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的干預(yù)。

時(shí)間回溯到2019年9月，特斯拉CEO埃隆.馬斯克（Elon Musk）宣布旗下神經(jīng)科學(xué)初創(chuàng)企業(yè)Neuralink研發(fā)“腦機(jī)神經(jīng)織網(wǎng)”設(shè)備N1，將3000多個(gè)電極附著在柔韌絲狀物上，或?qū)?shí)現(xiàn)大腦意念控制電腦，在此之后，腦機(jī)接口的研究推向了公眾視野，并成為當(dāng)下熱點(diǎn)。

目前實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口應(yīng)用的技術(shù)研究有三類技術(shù)路線：侵入式、部分侵入式、非侵入式。（詳見(jiàn)鈦媒體前文：《腦機(jī)革命：馬斯克向左，陳天橋向右｜鈦媒體·封面》）

不過(guò)，現(xiàn)階段腦機(jī)接口路線都有缺點(diǎn)。例如，侵入式的腦機(jī)接口技術(shù)需要開(kāi)顱，才能植入電極，人類接受度較差；而非侵入式腦機(jī)接口，盡管在不破壞人體大腦的情況下，可以采集人們大腦中非常細(xì)微的腦電變化、信號(hào)變化，但這種方法去測(cè)量腦內(nèi)信息，需要大量的數(shù)據(jù)、算法去推測(cè)，信號(hào)反饋的精確度有待提升。

陳天橋雒芊芊研究院（TCCI）創(chuàng)始人陳天橋此前在接受鈦媒體App專訪時(shí)表示，這種兩難局面可以通過(guò)采集“深層數(shù)據(jù)”（DeepData）解決，即利用采集到的數(shù)據(jù)，加上機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)手段，在不損傷患者大腦的情況下，可以達(dá)到與侵入式一樣的效果和反饋，甚至要超越后者。

本論文是通過(guò)功能性超聲波治療（fUS）這一新的方法，可以在不損傷腦組織的情況下，利用侵入式腦機(jī)接口方式詳細(xì)記錄大腦的詳細(xì)活動(dòng)，而且準(zhǔn)確率超過(guò)70%以上。

具體來(lái)說(shuō)，超聲波的工作原理是發(fā)射高頻聲波脈沖，測(cè)量這些聲波振動(dòng)如何在物質(zhì)中產(chǎn)生回聲。為了治療腦部疾病，傳統(tǒng)的手術(shù)治療為了將超聲波穿透顱骨，需要在患者顱骨上鉆孔。而fUS這種功能性超聲波技術(shù)的重要性在于，只需患者剃頭。無(wú)須做開(kāi)顱手術(shù)，從而避免了手術(shù)出血及感染的風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)踐治療過(guò)程中，fUS已有了很多應(yīng)用方案，比如可以與MRI(磁共振成像)聯(lián)合使用，從而很精準(zhǔn)的掌握準(zhǔn)確的治療部位，以及把握治療的狀態(tài)。

為驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)是否成功，研究人員在兩只恒河猴（非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物）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。當(dāng)涉及到某些任務(wù)時(shí)，猴子們會(huì)在特定的提示下向特定的方向移動(dòng)眼睛或手臂。

本論文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程（來(lái)源：加州理工學(xué)院官網(wǎng)）

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)fUS記錄后頂葉皮層（PPC）中參與計(jì)劃運(yùn)動(dòng)區(qū)域的大腦活動(dòng)。然后為驗(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。接著在加州理工學(xué)院陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心的支持下，通過(guò)圖像來(lái)觀察活動(dòng)的變化，從而解碼非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的動(dòng)作意圖，最后將超聲波成像數(shù)據(jù)和相應(yīng)的任務(wù)由機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理，從而了解大腦活動(dòng)模式與哪些任務(wù)相關(guān)。

研究顯示，在幾秒鐘內(nèi)，技術(shù)人員就可以預(yù)測(cè)出非人類靈長(zhǎng)類動(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)。論文結(jié)果顯示，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%。

加州理工學(xué)院官網(wǎng)對(duì)該研究的報(bào)道中稱，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，因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性、真實(shí)性有很大的保證。

值得一提的是，雖然目前發(fā)表的這項(xiàng)研究是在非人類靈長(zhǎng)類動(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。

“第一個(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)。”論文的共同第一作者David 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。”

據(jù)澎湃新聞，斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Shenoy評(píng)價(jià)道，下一步該研究的關(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。”

在鈦媒體App專訪中，陳天橋曾闡述了其對(duì)于“打開(kāi)腦顱”的看法，他認(rèn)為腦機(jī)接口路線上的研究重點(diǎn)，是如何讓植入的芯片更安全、信道更多、數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的問(wèn)題。對(duì)于病人應(yīng)該以治病為主，一切最新技術(shù)，一切可行手段都要使用，包括開(kāi)顱。

去年10月23日，TCCI與華山醫(yī)院的合作取得了最新進(jìn)展，首個(gè)腦科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)室在上海華山醫(yī)院虹橋院區(qū)落成。在落成儀式上，來(lái)自中國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)也展示了在夢(mèng)境檢測(cè)方面的最新研究成果：

在睡眠和夢(mèng)境實(shí)驗(yàn)室里，一位年輕男子躺在監(jiān)測(cè)床上，全身密布電極、線路，這是傳統(tǒng)用于睡眠障礙監(jiān)測(cè)診療的PSG設(shè)備。而一邊的年輕女孩，僅僅需要頭上貼著一片薄薄的電極貼，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)睡眠腦電、呼吸、心跳等多個(gè)重要指標(biāo)。在技術(shù)路線的分類上，這是典型的“非侵入式”臨床手段。

男子通過(guò)PSG設(shè)備和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)提升睡眠質(zhì)量（來(lái)源：TCCI）

“我們TCCI搜遍世界上的科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)5~10個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)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(gè)非侵入式的，為人類造福的腦科學(xué)技術(shù)解決方案。”陳天橋?qū)︹伱襟wApp表示。

而針對(duì)《神經(jīng)元》雜志上的這份研究成果，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 Mace則預(yù)測(cè)，這一新研究成果未來(lái)會(huì)有許多改進(jìn)空間，包括通過(guò)對(duì)組織的3D成像，而不是平面成像來(lái)收集更多信息等。

Mace強(qiáng)調(diào)：“這項(xiàng)技術(shù)絕對(duì)還沒(méi)有發(fā)揮出全部潛力。”

（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜林志佳）

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