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研究人員研發(fā)新型超聲波腦機接口

IEEE電氣電子工程師 ? 來源:IEEE電氣電子工程師 ? 2023-12-01 16:37 ? 次閱讀

2023年是腦機接口(BCI)技術(shù)發(fā)展的一年:可以解碼大腦信號并使用它們控制外部設(shè)備,或使用設(shè)備改變大腦信號。腦機接口開發(fā)商Neuralink、Paradromics和Synchron都在臨床試驗過程中達到了重要的里程碑,每一個都使全植入式腦機接口更接近美國的臨床現(xiàn)實。這些公司正在開發(fā)與大腦電交互的腦機接口,但最近宣布的一項研究合作正在開發(fā)一種使用完全不同介質(zhì)的腦機界面:超聲波。

10月,F(xiàn)orest Neurotech和Butterfly Network公司宣布了一項2000萬美元的聯(lián)合研究,以開發(fā)基于超聲波的腦機接口。Forest Neurotech將授權(quán)Butterfly Network的緊湊型超聲波芯片技術(shù)開發(fā)一種用于學術(shù)和研究環(huán)境的微創(chuàng)超聲腦機接口設(shè)備。

大多數(shù)腦機接口系統(tǒng)通過讀取電信號來測量大腦活動,有些還通過電刺激大腦。Forest提出的設(shè)備將使用高頻聲波與大腦接口。指導這種方法的科學原理不同尋常,但很簡單:直接聚焦超聲波(FUS)可以改變神經(jīng)元的動作電位,即腦細胞用來相互交流的離子電流。超聲波還可以通過多普勒效應測量局部血流變化來估計大腦區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)活動;該技術(shù)被稱為功能超聲成像(fUSI)。

Forest Neurotech首席技術(shù)官William Biederman表示,Butterfly的技術(shù)將使他的團隊能夠構(gòu)建一種腦機接口,當植入用戶的頭骨時,將使用超聲波“以亞毫米的精度”刺激和記錄大腦。

為什么在腦機接口中使用超聲波?

與其他神經(jīng)刺激和成像技術(shù)相比,超聲波具有一定的優(yōu)勢。對于刺激,聚焦超聲波可以從頭骨外靈活地靶向整個大腦的特定區(qū)域。相比之下,電刺激技術(shù)在空間上更為有限,因為電在腦組織中傳播的距離不遠,因此電刺激大腦深處需要在相關(guān)部位附近放置電極的侵入性外科手術(shù)。從大腦進行電記錄需要在頭皮上植入深層植入物或電極,這些電極只能記錄靠近表面的大腦區(qū)域的活動。通過超聲波記錄深層神經(jīng)活動不能通過頭骨完成,但可以通過移除一塊頭骨并將設(shè)備放置在大腦表面來完成。

Butterfly的超聲硬件將大型臨床超聲系統(tǒng)的音頻生成、控制和記錄功能放在一個芯片大小的設(shè)備上。Forest計劃使用這些超聲波芯片通過定向和聚焦的超聲波刺激大腦區(qū)域,并通過fUSI測量神經(jīng)活動。

fUSI技術(shù)通過測量血流的變化來估計神經(jīng)活動的變化。神經(jīng)元和所有細胞一樣,需要血液才能發(fā)揮作用。神經(jīng)活動的增加需要血流量的增加,fUSI技術(shù)通過將超聲波投射到感興趣的大腦區(qū)域并記錄反彈的波來測量血流量。當聲音從大量流動的血液中反彈時,返回的聲波以與發(fā)出的聲波不同的頻率擺動。fUSI利用這種多普勒頻移現(xiàn)象來估計血流的變化,并通過代理來估計神經(jīng)元的電化學顫動。

Forest Neurotech公司顧問、加州理工學院教授Mikhail Shapiro說:“用血流來用功能性超聲波對神經(jīng)活動進行成像效果非常好。它的效果比最初提出這個想法時任何人預期的都要好?!?/p>

超聲波可以記錄和控制神經(jīng)活動。盡管后一種現(xiàn)象至少從20世紀50年代就已經(jīng)為人所知,但科學家們?nèi)匀徊淮_定FUS為什么會引起神經(jīng)元放電。最近的實驗中,超聲波能量被引導到嚙齒類動物的孤立腦組織,這向神經(jīng)科學家表明,特定的鈣離子通道似乎被高頻聲波打開,盡管這種相互作用的確切物理機制仍然是個謎。

為了刺激和記錄腦機接口,F(xiàn)orest的系統(tǒng)需要在用戶的頭骨中植入多個Butterfly超聲波芯片。雖然超聲刺激通過骨骼是有效的,但fUSI記錄技術(shù)不是。聲音通過頭骨時會被抑制,傳出和返回的衰減使完全無創(chuàng)的超聲波記錄系統(tǒng)無法使用。相反,該公司計劃將傳感器放入頭骨,并與覆蓋大腦的保護膜硬腦膜表面齊平。

Butterfly Gardens項目,旨在將其技術(shù)提供給醫(yī)療設(shè)備團隊。非營利組織Convergent Research旗下的Forest Neurotech專注于技術(shù)開發(fā),而不是臨床設(shè)備的開發(fā)和營銷。Biederman說:“我們正在努力推動這類技術(shù)的基礎(chǔ)科學發(fā)現(xiàn)和使用。一旦這項技術(shù)得到進一步發(fā)展,該公司計劃將其提供給學術(shù)界和工業(yè)界的其他研究組織,以進行進一步的產(chǎn)品和科學開發(fā)。

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原文標題:研究人員研發(fā)新型超聲波腦機接口

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