超声波技术实现无创“读脑”

脑机接口（Brain-Computer Interface，简写为BCI）是与人工智能关联的当代前沿技术之一，它在人或动物大脑与计算机及其外部设备之间建立起信息交换的联系，可用于辅助、修复或增强人的行动、表达和感知功能，从而可以帮助肢体残疾者重新获得一定的运动能力、帮助失语者重拾语言表达能力以及帮助感官失能者（如盲人、聋人等）恢复一定的感知功能。除了医疗健康领域之外，脑机接口技术还可用于艺术、体育、军事和游戏等场景，展现出十分广阔的应用前景。

一、脑机接口技术简介

大脑被许多研究人员视为人体最复杂的器官。大脑中，1000多亿个神经元形成100多万亿个神经元连接，这让“读懂”大脑成为世界性难题。脑机接口技术（BCI）是一种在脑与外部设备之间建立通信和控制通道，用脑的生物电信号直接操控外部设备，或以外部刺激调控脑的活动，从而增强、改善和延伸大脑功能的技术。脑机接口技术可以将脑电信号转换为控制指令，从而帮助运动功能障碍患者，如脑卒中、渐冻症等患者，与外部设备交互，提升生活质量。它为瘫痪患者提供了通过意念移动假肢设备的可能性。

图1  传统或狭义的BMI系统示意图

近年来，世界各国逐渐重视脑科学研究，相继启动各自的脑科学相关科技规划，全球范围内大量投入对脑科学研究，这些能够极大地增进人类对大脑如何工作以及如何治疗脑部疾病的理解。脑机接口是脑科学和类脑智能研究的重要方向，已上升为国家的科技战略重点或力推的核心科技发展领域。随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，以及以Neuralink等创新技术投资公司为代表的全新研究力量的加入，脑机接口技术进入了快速发展阶段，在信号获取和处理、解码算法和系统实现等关键技术领域取得了很多突破性进展。

脑机接口技术的应用方向。脑机接口技术的功效可以归结为如下5类：监测（使用脑机接口系统监测部分人体意识状态）、替代（脑机接口系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出）、改善/恢复（主要针对康复领域，改善某种疾病的症状或恢复某种功能）、增强（主要是针对健康人而言，实现机能的提升和扩展）、补充（主要针对控制领域，增加脑控方式，作为传统单一控制方法的补充，实现多模态控制）。围绕这5大功效，脑机接口技术的应用方向主要有医疗健康、娱乐、智能家居、军事和其他。

二、超声波技术实现无创“读脑”

脑机接口包括侵入式脑机接口、非侵入式脑机接口等类型。非侵入性脑机接口不会穿刺生物组织，因此更受欢迎，是BCI系统的潜在方向之一。目前，非侵入性脑机接口利用大脑的电生理学，通过脑电图（EEG）或脑磁图（MEG），或者通过功能磁共振成像（fMRI）或功能近红外光谱（fNIRS）的血液动力学反应来实现。基于脑电图的非侵入式脑机接口具有高时域分辨率、相对较低的成本和高可携带性等优点，然而，脑电图通常具有较低的空间分辨率，对深层信号的敏感性较低。与电场相比，磁场受到颅骨和头皮的影响较小，因此与脑电图相比，脑磁图提供了更好的空间分辨率。然而，深层源信号的信噪比降低阻碍了脑磁图用于深层脑结构的研究。功能近红外光谱利用近红外光穿透颅骨检测大脑供血中氧合和脱氧血红蛋白（HbO和HbR）的浓度变化。尽管基于功能近红外光谱的脑机接口变得越来越受欢迎，但其较长的响应滞后使其不适用于实时应用。功能磁共振成像是一种强大的方法，可在整个大脑中具有高空间分辨率检测脑血液动力学反应，并已应用于脑机接口研究。然而，由于其低时域分辨率，fMRI-based BCI的响应滞后通常为1至2秒。由于超声可以非侵入性地提供大脑组织结构和血流的信息，因此它已成为清醒的非人灵长类动物和人类脑科学研究中的重要技术。通过功能性和超分辨率超声成像方法，可以获得大脑血流的高灵敏度图像，这是读取大脑信息的重要方法。

据最新一期《自然·神经科学》杂志报道，一项新研究证实，美国加州理工学院研究人员开发的功能性超声（FUS）技术可以成为一种“在线”脑机接口（BCI）的基础，这种BCI可以读取大脑活动，通过用机器学习编程的解码器破译其含义，从而控制一台延时极短、可准确预测运动的计算机。

2021年，加州理工学院的研究人员成功开发了一项创新的大脑活动读取方法，采用了一种低侵入性的技术——功能性超声（FUS）。这种技术的工作原理是利用超声波成像，通过发射高频声音脉冲并测量其在物质（例如人体组织）中的回声振动，来获取大脑活动的信息。

通常，超声波成像用于拍摄子宫内胎儿的图像以及其他诊断成像。然而，由于头骨不透过声波，因此在进行脑部成像时需要在头骨上安装一个透明的“窗口”。与其他成像技术不同，超声波技术无需植入大脑本身，显著降低了感染的风险，并保持了脑组织及其保护性硬脑膜的完整性。

神经元活动的变化会导致它们对氧气等代谢资源的需求变化，而这些资源通过血液供应。这正是功能性超声波的关键之处。在研究中，科学家们使用超声波测量了特定大脑区域血流的变化，通过记录反射超声波时红细胞音调的变化，实现了对大脑血液流动微小变化的监测。通过这种多普勒效应的测量，研究人员能够记录大脑中广泛分布的微小神经细胞群的活动，空间分辨率达到100微米宽，相当于一根头发的宽度。他们成功地在实验动物，即非人灵长类动物的顶叶后皮质（PPC）中测量了大脑活动，该区域负责规划和协助执行运动。

图2  解剖记录平面和行为任务

在实验中，动物被训练执行两项任务：通过移动手来引导屏幕上的光标，以及通过移动眼睛注视屏幕的特定部分。令人惊讶的是，它们只需专注于执行任务，而不必实际移动眼睛或手，因为脑机接口（BCI）能够读取它们的大脑活动。超声波数据实时传送到解码器，生成控制信号，从而将光标精准地移动到所需位置。

这项研究显示，BCI成功地在8个径向目标上执行操作，并且平均误差非常小，该研究的实施有望在生物声学、健康、康复、脑科学、脑疾病、无人驾驶车辆和人工智能等领域提供新的革命性工具，为未来开发更先进的脑机接口技术奠定了基础。

接下来，该团队计划研究基于超声技术的BMI如何在人体中发挥作用，并进一步开发FUS技术以实现三维成像以提高准确性。

参考资料：

[1] Caltech.Ultrasound Enables LesS-Invasive Brain-Machine Interfaces[EB/OL].（2023-11-30）[2023-12-04].https://www.caltech.edu/about/news/ultrasound-enables-less-invasive-brainmachine-interfaces.

[2] Nature Neuroscience.Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain–machine interface[EB/OL].[2023-12-04].https://www.nature.com/articles/s41593-023-01500-7.

[3] 中国人工智能产业发展联盟.脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书[EB/OL].[2023-12-06].http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/ztbg/202107/P020210715603240201817.pdf.

[4] 科技日报.总编辑圈点|无需开颅植入电极，超声波技术实现无创“读脑”[EB/OL].（2023-12-04）[2023-12-06].http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202312/eb4e000c06844c5584b53ddf5cdda0d4.shtml.