陈天桥雒芊芊研究院在国际顶刊发表论文:超声波“读心术”获重大进展

林志佳

林志佳

· 3月26日

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。

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陈天桥雒芊芊研究院在国际顶刊发表论文:超声波“读心术”获重大进展

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脑科学

图片来源@视觉中国

超声波“读心术”迎来重大进展!

钛媒体获悉,近日,神经科学顶级期刊《神经元》(Neuron)在线发表了由陈天桥雒芊芊脑机接口中心(T&C Chen Brain-Machine Interface Center)、美国加州理工学院的生物与生物工程学系等团队完成的一项“基于功能超声神经成像的运动意图单次解码”的论文。通过研究人员开发的一种新型的微创脑机接口,使用了功能性超声(fUS)技术,其可以精确地绘制大脑深处精确区域的活动,并读出与运动计划相对应的大脑活动。这一电级分辨率为100微米,单个神经元大小约为10微米,十分微小。

据悉,本论文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,而该研究团队的目标,是通过新的fUS技术来打破目前脑机接口发展的一个主要限制,即不需要介入脑部手术插入很深的电极,侵入性较小但可以读取更多神经活动信息。

“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。”本论文第一作者,Andersen实验室的博士后研究员萨姆纳·诺曼(Sumner Norman)表示,这一研究突破了超声神经成像技术的极限,通过fUS这一项具有巨大潜力的技术,为更多需要脑损伤患者带来福音。本研究是实现强大脑机接口技术(BCI)的重要一步。

实际上,大脑是一个很复杂的器官,如果通过CT影像拍摄,只能看到脑内的一处,或是模糊不清地观察到脑内静态情况,人类对于脑部的了解都是片面的。而脑机接口的重要性在于,其可在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立起直接通路。一方面,脑机设备可以将大脑信号转化为机器可识别的信号,实现对机器的有效控制;另一方面也可以接收来自机器的反馈,从外部实现对大脑的干预。

时间回溯到2019年9月,特斯拉CEO埃隆.马斯克(Elon Musk)宣布旗下神经科学初创企业Neuralink研发“脑机神经织网”设备N1,将3000多个电极附着在柔韧丝状物上,或将实现大脑意念控制电脑,在此之后,脑机接口的研究推向了公众视野,并成为当下热点。

目前实现脑机接口应用的技术研究有三类技术路线:侵入式、部分侵入式、非侵入式。(详见钛媒体前文:《脑机革命:马斯克向左,陈天桥向右|钛媒体·封面》

不过,现阶段脑机接口路线都有缺点。例如,侵入式的脑机接口技术需要开颅,才能植入电极,人类接受度较差;而非侵入式脑机接口,尽管在不破坏人体大脑的情况下,可以采集人们大脑中非常细微的脑电变化、信号变化,但这种方法去测量脑内信息,需要大量的数据、算法去推测,信号反馈的精确度有待提升。

陈天桥雒芊芊研究院(TCCI)创始人陈天桥此前在接受钛媒体App专访时表示,这种两难局面可以通过采集“深层数据”(DeepData)解决,即利用采集到的数据,加上机器学习算法等技术手段,在不损伤患者大脑的情况下,可以达到与侵入式一样的效果和反馈,甚至要超越后者。

本论文是通过功能性超声波治疗(fUS)这一新的方法,可以在不损伤脑组织的情况下,利用侵入式脑机接口方式详细记录大脑的详细活动,而且准确率超过70%以上。

具体来说,超声波的工作原理是发射高频声波脉冲,测量这些声波振动如何在物质中产生回声。为了治疗脑部疾病,传统的手术治疗为了将超声波穿透颅骨,需要在患者颅骨上钻孔。而fUS这种功能性超声波技术的重要性在于,只需患者剃头。无须做开颅手术,从而避免了手术出血及感染的风险。

在实践治疗过程中,fUS已有了很多应用方案,比如可以与MRI(磁共振成像)联合使用,从而很精准的掌握准确的治疗部位,以及把握治疗的状态。

为验证团队的这项技术是否成功,研究人员在两只恒河猴(非人类灵长类动物)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。当涉及到某些任务时,猴子们会在特定的提示下向特定的方向移动眼睛或手臂。
本论文的实验过程(来源:加州理工学院官网)

本论文的实验过程(来源:加州理工学院官网)

接下来,团队通过fUS记录后顶叶皮层(PPC)中参与计划运动区域的大脑活动。然后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。接着在加州理工学院陈天桥雒芊芊脑机接口中心的支持下,通过图像来观察活动的变化,从而解码非人类灵长类动物的动作意图,最后将超声波成像数据和相应的任务由机器学习算法处理,从而了解大脑活动模式与哪些任务相关。

研究显示,在几秒钟内,技术人员就可以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。论文结果显示,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%。

加州理工学院官网对该研究的报道中称,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,因此对于实现准确性、真实性有很大的保证。

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。

“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。”

澎湃新闻,斯坦福大学神经科学家Shenoy评价道,下一步该研究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。”

在钛媒体App专访中,陈天桥曾阐述了其对于“打开脑颅”的看法,他认为脑机接口路线上的研究重点,是如何让植入的芯片更安全、信道更多、数据更准确的问题。对于病人应该以治病为主,一切最新技术,一切可行手段都要使用,包括开颅。

去年10月23日,TCCI与华山医院的合作取得了最新进展,首个脑科学前沿实验室在上海华山医院虹桥院区落成在落成仪式上,来自中国的科研团队也展示了在梦境检测方面的最新研究成果:

在睡眠和梦境实验室里,一位年轻男子躺在监测床上,全身密布电极、线路,这是传统用于睡眠障碍监测诊疗的PSG设备。而一边的年轻女孩,仅仅需要头上贴着一片薄薄的电极贴,就可以实时监测睡眠脑电、呼吸、心跳等多个重要指标。在技术路线的分类上,这是典型的“非侵入式”临床手段。
男子通过PSG设备和数据监测提升睡眠质量(来源:TCCI)

男子通过PSG设备和数据监测提升睡眠质量(来源:TCCI)

“我们TCCI搜遍世界上的科学家和实验室,通过5~10个实验室,建立早期的技术模型,不但要资助,而且要将最具潜力、前途的科学家挖进我们的实验室,给他们学术自由、给他们资金,让这些科学家发挥才能,能够做出一个非侵入式的,为人类造福的脑科学技术解决方案。”陈天桥对钛媒体App表示。

而针对《神经元》杂志上的这份研究成果,马克斯·普朗克神经生物学研究所的神经科学家Emilie Mace则预测,这一新研究成果未来会有许多改进空间,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等。

Mace强调:“这项技术绝对还没有发挥出全部潜力。”

(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

本文系作者林志佳授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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