超声波“读心术”来了，用意念控制机器还远吗

　　药明康德内容团队编辑

　　当你看着这篇文章，用手指在手机屏幕上滑动时，你的大脑里在发生什么？

　　对于加州理工学院陈天桥雒芊芊脑科学研究院的一些科学家来说，他们想知道，在你移动眼睛或手指之前，哪些脑区正活跃，哪些神经元在相互交流，它们向肌肉发出了什么信号。破解这些信息可以为机械臂或计算机光标生成指令。假以时日，研究人员希望开发出一种方法，无需对脑部做侵入性手术即可读取意图，进而控制机器。

　　图片来源：123RF

　　尽管听起来颇像科幻小说，但这群科学家开发出一种新型脑机接口技术，距离这一目标的实现迈进了重要一步。这种新技术基于超声波读取大脑的神经活动，在猴子身上开展的“读心”实验显示，通过解码神经活动，能预测它们的眼睛或手部动作。近日，研究人员在神经科学领域权威期刊Neuron上详细描述了这项研究工作。

　　利用超声波“看清”人体内部的器官活动，对此我们并不陌生。医生们早就开始用超声波拍摄子宫内的胎儿图像，或是用于其他疾病的诊断。

　　而在大约十年前，研究人员找到了一种用超声波“听”大脑内血流变化的方法，称为功能超声（fUS）。类似于火车经过时你听到的鸣笛声音会产生变化，血液中的红血球在接近和离开超声波的声源时，音高也会发生变化。测量这一现象，可以记录血液流动的微小变化，并像功能磁共振成像（fMRI）一样，通过血流变化指示正在消耗能量的活跃神经元。而相比fMRI，fUS技术创建的图像有更高的空间分辨率，可以达到100微米――单个神经元的大小约为10微米。

　　▲使用功能超声对非人灵长类动物大脑的脉管系统成像（图片来源：参考资料[3]；Credit：Sumner Norman）

　　功能超声技术的另一个相对优势是侵入性小。相比过去通过开颅手术植入电极的脑机接口设备来说，基于fUS技术的脑机接口只需去除一小块头骨，即可读取大脑深处的信号，而不需要进一步打开保护大脑的硬脑膜并刺入脑组织。

　　不过，在研究作者看来，远距离测量神经活动可能意味着牺牲一些速度和精度，毕竟与植入电极直接读取神经元电活动的信号相比，超声图像提供的信号“不太直接”。得到图像可以显示大脑在准备做动作时有神经活动，但是否有足够的细节供计算机解码计划要做的动作呢？

　　图片来源：123RF

　　为了寻找答案，研究人员在两只猕猴身上进行了验证，在它们的头骨上安装了小型超声探头。探头将超声波传到大脑的后顶叶皮层（PPC），也就是参与动作计划的脑区。

　　在研究人员的训练下，两只猕猴会在得到特定的提示后朝特定方向移动眼睛或手。与此同时，与超声探头连接的计算机对超声数据进行解码，由此推测猴子的意图。最终，计算机通过分析这一脑区的神经活动模式，可以预测猴子是否想做出动作、什么时候想做出动作等。

　　实验结果显示，利用这种脑机接口，科学家们可以在猴子每一次计划移动眼球或伸手前，预测出它们将会向左还是向右做出动作，准确率分别达到78%和89%。

　　▲对负责动作计划的脑区进行成像，解码其中与动作对应的神经活动，在动作发生之前准确地预测动作（图片来源：参考资料[3]；Credit：Sumner Norman）

　　“证明超声波可以捕捉到与计划身体运动相关的大脑信号是一个里程碑。” 论文的共同第一作者David Maresca教授说，“功能超声成像记录这些信号的灵敏度和分辨率是fMRI的10倍，这是基于fUS的脑机接口的成功核心。”

　　另一位合作者Sumner Norman博士补充说：“有创形式的脑机接口已经可以帮助神经系统受伤的人恢复运动。不幸的是，只有少数瘫痪最严重的人有机会并愿意在自己的大脑中植入电极。功能超声是一种令人兴奋的新方法，可以在不损害脑组织的情况下记录详细的大脑活动，它可以预测动作。而最令人兴奋的是，这 项具有巨大潜 力的年 轻 技术，迈出了为更多人带来高性能、微创脑机接口的第一步。 ”

　　这项研究结果发布后引起了很多神经科学家的关注，《科学》杂志近日对此专门进行了报道。

　　斯坦福大学神经科学家Krishna Shenoy教授评价说这是一种了不起的工具，下一步的改进关键是使用计算机实时预测来引导机器人的手或光标。马克斯・普朗克神经生物学研究所的研究员Emilie Macé博士则预测，这项技术未来还可以在解码时间、成像信息收集等方面做出改进，发挥出更大潜力。

　　参考资料

　　[1] Sumner L. Norman et al., (2021) Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging. Neuron Doi: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.03.003

　　[2] Ultrasound reads monkey brains, opening new way to control machines with thought. Retrieved Apr. 6, 2021 from https://www.sciencemag.org/news/2021/03/ultrasound-reads-monkey-brains-opening-new-way-control-machines-thought

　　[3] Reading Minds with Ultrasound: A Less-Invasive Technique to Decode the Brain's Intentions. Retrieved Apr. 6, 2021 from http://neuroscience.caltech.edu/news/reading-minds-with-ultrasound-a-less-invasive-technique-to-decode-the-brains-intentions

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