腦機(jī)接口案例：如何用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)“讀腦”

近期，頂級(jí)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(guó)加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)基于腦機(jī)接口（BMI），開(kāi)發(fā)了一種功能性超聲（fUS）神經(jīng)影像新興技術(shù)，通過(guò)在兩只恒河猴上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)，通過(guò)用機(jī)器學(xué)習(xí)編程的解碼器破譯其含義，從而控制一臺(tái)延時(shí)極短、可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)。

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

本論文作者、美國(guó)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(jī)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(jī)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(tuán)創(chuàng)始人陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元?jiǎng)?chuàng)建的支持人類(lèi)腦科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)。據(jù)官網(wǎng)消息稱(chēng)，陳天橋夫婦曾捐贈(zèng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，同時(shí)還獲得TCCI腦機(jī)接口中心和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院等機(jī)構(gòu)的資金支持。

“這項(xiàng)技術(shù)是作為一項(xiàng)真正的協(xié)作努力而開(kāi)發(fā)的，無(wú)法僅靠一個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)完成?！盧ichard Andersen表示。

《科技日?qǐng)?bào)》對(duì)此發(fā)表評(píng)論文章稱(chēng)，“帶有濃濃科幻色彩的腦機(jī)接口技術(shù)，正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。不過(guò)從目前來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，存在諸多不足。而與腦機(jī)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(jìn)展，將不斷助推這項(xiàng)技術(shù)迭代升級(jí)?！?/p>

據(jù)悉，腦機(jī)接口（Brain-Machine Interface，BMI，也稱(chēng)BCI）是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。具體來(lái)說(shuō)，腦機(jī)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(zhǎng)聘教授高小榕表示，腦機(jī)接口是很多學(xué)科交叉而形成的一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。它是個(gè)硬核科技，并非其他領(lǐng)域研究的技術(shù)延伸，而是一個(gè)重要的技術(shù)匯聚。他認(rèn)為，腦機(jī)接口未來(lái)將是一個(gè)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(duì)腦機(jī)接口技術(shù)持續(xù)投入，進(jìn)一步讓它變得炙手可熱，倍受社會(huì)關(guān)注。目前，腦機(jī)接口技術(shù)已能夠完成單詞拼寫(xiě)，設(shè)備控制，游戲交互等功能，以及豬、猴子這類(lèi)動(dòng)物性實(shí)驗(yàn)，而且腦機(jī)芯片、腦電采集平臺(tái)、產(chǎn)品和應(yīng)用、醫(yī)療機(jī)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(jī)接口技術(shù)并不完美。隨著腦機(jī)接口可以使慢性癱瘓患者能夠僅用思想來(lái)控制計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等，但現(xiàn)有的腦機(jī)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(jī)接口往往對(duì)使用者身體帶來(lái)?yè)p傷，甚至容易在創(chuàng)口引起炎癥反應(yīng)；非侵入式的腦機(jī)接口需要佩戴笨重的頭盔，體驗(yàn)感有待改進(jìn)等。此外，每天使用腦機(jī)接口設(shè)備之前，患者和醫(yī)生還需要共同重新校準(zhǔn)計(jì)算設(shè)備高達(dá)15分鐘以上。

為了解決這些問(wèn)題，2021年，加州理工學(xué)院Richard Andersen教授團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)了一種新的、侵入性小得多的讀取大腦活動(dòng)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(cè)量這些聲音振動(dòng)在物質(zhì)（如人體的各種組織）中的回聲，然后聲波以不同類(lèi)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(tuán)隊(duì)以“使用閉環(huán)超聲腦機(jī)接口解碼運(yùn)動(dòng)計(jì)劃”為題，將fUS技術(shù)在腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程信息發(fā)表在頂級(jí)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(bǔ)充現(xiàn)有的腦機(jī)接口技術(shù)瓶頸的技術(shù)。而研究人員使用超聲波來(lái)測(cè)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(dòng)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(shí)測(cè)量廣泛分布在整個(gè)大腦中的微小神經(jīng)細(xì)胞群的活動(dòng)，其中一些小到只有60個(gè)神經(jīng)元。

其次，論文中指出，為了表明這一方法可成功實(shí)施，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一場(chǎng)恒河猴身上的腦機(jī)接口動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在兩只恒河猴進(jìn)行眼睛和手部運(yùn)動(dòng)時(shí)的后頂葉皮層傳輸fUS數(shù)據(jù)，來(lái)測(cè)量非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物頂葉后皮質(zhì)（PPC）的大腦活動(dòng)——規(guī)劃并幫助執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)期間，研究人員訓(xùn)練恒河猴，并且使得實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被教會(huì)了兩項(xiàng)任務(wù)：移動(dòng)手來(lái)引導(dǎo)屏幕上的光標(biāo)，移動(dòng)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(shí)際移動(dòng)眼睛或手，因?yàn)槟X機(jī)接口可以讀取它們的大腦活動(dòng)。

最后，超聲波數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)發(fā)送到解碼器，然后生成控制信號(hào)，將光標(biāo)移動(dòng)到希望的地方。最終完成訓(xùn)練后的實(shí)驗(yàn)猴子，可以使用計(jì)算機(jī)控制多達(dá)八個(gè)運(yùn)動(dòng)（徑向目標(biāo)）方向，控制平均誤差小于40度。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的腦機(jī)接口方法，使得猴子可以實(shí)時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和反饋。

在恒河猴實(shí)驗(yàn)中植入fUS技術(shù)的整個(gè)過(guò)程（圖片來(lái)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(duì)于功能磁共振成像（fMRI）、腦電圖（EEG）等其他技術(shù)來(lái)說(shuō)，fUS技術(shù)方案可以更好定位深部大腦功能，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)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(cè)解碼與電極一起使用時(shí)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(shí)，真是令人驚奇?！?/p>

另外，除了加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)外，法國(guó)巴黎INSERM醫(yī)學(xué)物理Mickael Tanter實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)也參與了該研究過(guò)程。

值得注意的是，本研究還由T&C Chen腦機(jī)接口中心資助、Richard Andersen實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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?jiǎng)?chuàng)建的，旨在聚焦AI＋腦科學(xué)，支持、推進(jìn)全球范圍內(nèi)腦科學(xué)研究，造福全人類(lèi)，目前已經(jīng)成為知名的支持人類(lèi)腦科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)。2022年12月，耗資2.4億美元、占地15萬(wàn)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(shí)，TCCI還重點(diǎn)投入于中國(guó)本土科研，TCCI一期投入5億元人民幣支持中國(guó)的腦科學(xué)研究，與上海周良輔醫(yī)學(xué)發(fā)展基金會(huì)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(shí)驗(yàn)室、人工智能與精神健康前沿實(shí)驗(yàn)室。

在國(guó)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(jī)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(gè)中心，重點(diǎn)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(chǎng)高質(zhì)量的學(xué)術(shù)會(huì)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(duì)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(kāi)手腳去做一些很重磅的研究課題，只要最終能夠落地，對(duì)人類(lèi)有貢獻(xiàn)，有幫助，足矣。將“不計(jì)成本”的支持科學(xué)家開(kāi)放研究。

“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(lèi)造福的腦科學(xué)技術(shù)解決方案?！标愄鞓虮硎尽?/p>

據(jù)了解，未來(lái)，Richard Andersen團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃研究基于超聲技術(shù)的腦機(jī)接口技術(shù)如何在人體中發(fā)揮作用，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)fUS技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)三維成像以提高準(zhǔn)確性。

審核編輯：黃飛