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功能性超聲波利用超聲對(duì)腦血容量的變化進(jìn)行成像，從而解析大腦特定區(qū)域的功能活動(dòng)和神經(jīng)信號(hào)。圖片來(lái)源：unsplash

侵入式腦機(jī)接口已經(jīng)可以讓那些由于神經(jīng)損傷或疾病，失去運(yùn)動(dòng)能力的人重獲運(yùn)動(dòng)能力。而功能性超聲波技術(shù)卻具有更大的潛力，將為更多人帶來(lái)高性能、低侵入性腦機(jī)接口。

■本報(bào)記者 張雙虎

冬去春來(lái)，腦機(jī)接口（BMI）領(lǐng)域似乎要迎來(lái)一個(gè)“小陽(yáng)春”。

資本對(duì)腦機(jī)接口應(yīng)用前景的信心，在融資數(shù)量和金額上清晰地表現(xiàn)出來(lái)。這讓不少人斷言：腦機(jī)接口的風(fēng)口來(lái)了。

近日，一項(xiàng)發(fā)表于《神經(jīng)元》雜志的超聲波“讀腦”技術(shù)，讓人們對(duì)腦機(jī)接口的期待進(jìn)一步“走高”。

超聲波“讀腦”

日前，美國(guó)加州理工學(xué)院和陳天橋雒芊芊腦機(jī)接口中心開(kāi)發(fā)出一種新型微創(chuàng)腦機(jī)接口。它能利用功能性超聲波技術(shù)，讀出與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的大腦活動(dòng)。換言之，利用超聲波成像技術(shù)，研究人員能預(yù)測(cè)猴子眼/手的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)這些信息生成機(jī)器人臂或電腦光標(biāo)指令。

功能性超聲波可以通過(guò)測(cè)量血流的變化，指示神經(jīng)元活躍及耗能時(shí)間。在該項(xiàng)研究中，功能性超聲波能在幾秒鐘內(nèi)，預(yù)測(cè)出猴子將要進(jìn)行的行為、運(yùn)動(dòng)方向（向左或向右），以及它計(jì)劃何時(shí)運(yùn)動(dòng)。論文顯示，這一新方法預(yù)測(cè)猴子眼球運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率約為78%，預(yù)測(cè)伸展運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率為89%。對(duì)這一方法加以改進(jìn)，有望為癱瘓病人提供一種無(wú)需穿透大腦便可控制假肢的新方法。

“侵入式腦機(jī)接口已經(jīng)可以讓那些由于神經(jīng)損傷或疾病，而失去運(yùn)動(dòng)能力的人重獲新生?！痹撗芯抗餐谝蛔髡逽umner Norman說(shuō)，“不幸的是，只有少數(shù)嚴(yán)重癱瘓的人才有資格，并愿意將電極植入大腦。而功能性超聲可以在不損害腦組織的情況下，記錄大腦的活動(dòng)。最令人興奮的是，功能性超聲波技術(shù)具有巨大的潛力，這只是我們?yōu)楦嗳藥?lái)高性能、低侵入性BMI的第一步?！?/p>

“這是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)?！敝袊?guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所研究員隆曉菁告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“它利用超聲對(duì)腦血容量的變化進(jìn)行成像，從而解析大腦特定區(qū)域的功能活動(dòng)和神經(jīng)信號(hào)?！?/p>

隆曉菁介紹說(shuō)，超聲作為這項(xiàng)技術(shù)的物理基礎(chǔ)，充分體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)：超聲有很好的穿透能力，可以實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)。此外，與腦電、功能磁共振成像、光學(xué)成像相比，超聲在空間分辨率、時(shí)間分辨率、成像視野的綜合性能上也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

“快速、高分辨、高靈敏的功能成像技術(shù)對(duì)神經(jīng)科學(xué)、腦機(jī)接口、腦疾病治療等領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)的意義。當(dāng)前我們也急需這樣的工具，功能性超聲成像無(wú)疑是具有巨大潛力的?！甭暂颊f(shuō)。

尋找“平衡點(diǎn)”

“在腦機(jī)接口研究中，我們會(huì)關(guān)注兩個(gè)方面?！敝袊?guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“一是讀取大腦神經(jīng)信號(hào)的質(zhì)量（包括同時(shí)能采集信號(hào)的通道數(shù)和信噪比）。二是它的侵入性，或者說(shuō)對(duì)使用者的創(chuàng)傷程度。”

腦機(jī)接口技術(shù)可粗略分為侵入式和非侵入式兩類(lèi)。前者指測(cè)量電極接觸大腦，甚至插入大腦內(nèi)部。后者不接觸大腦，包括頭皮電極帽、超聲、核磁共振成像等技術(shù)。

“從原理上來(lái)說(shuō)，越是貼近大腦，或進(jìn)入大腦，它的信號(hào)質(zhì)量越好，但損傷大腦的風(fēng)險(xiǎn)也越高。所以，不同的技術(shù)路線，就是在這兩個(gè)方面尋求一個(gè)平衡點(diǎn)?！碧栈⒄f(shuō)。

一般來(lái)說(shuō)，侵入式可以精確地測(cè)量單個(gè)神經(jīng)元層面的活動(dòng)。功能性磁共振成像等非侵入性技術(shù)可以對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行成像，但需要笨重而昂貴的機(jī)器。腦電圖不需要手術(shù)，但只能測(cè)量低空間分辨率的活動(dòng)。

陶虎團(tuán)隊(duì)和華山醫(yī)院神經(jīng)外科團(tuán)隊(duì)曾研發(fā)出柔性腦機(jī)接口技術(shù)，可以達(dá)到單神經(jīng)元精度（幾微米至幾十微米），在時(shí)間尺度上，也可以做到毫秒級(jí)甚至幾十微秒級(jí)。

“這種精度是超聲技術(shù)達(dá)不到的?！碧栈⒄f(shuō)，“但另一方面，獲取怎樣的精度和速度的信噪比，要根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。某些場(chǎng)景可能需要較高的精度、強(qiáng)度或速度，但另一些場(chǎng)景也許并不需要。”

實(shí)際上，現(xiàn)有的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)帶給人類(lèi)一些驚喜。例如，用機(jī)械手臂連接癱瘓的人，可以通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)解釋人的神經(jīng)活動(dòng)和意圖，并相應(yīng)地移動(dòng)機(jī)械臂。

還有一些患者在應(yīng)用中，只需要簡(jiǎn)單地控制機(jī)器即可。比如，華南理工大學(xué)的研究人員用電極帽就實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪椅的控制，可以驅(qū)動(dòng)其前后左右行走。

“用大腦去控制機(jī)器并不難，目前很多無(wú)創(chuàng)的方式就能做到。關(guān)鍵要看機(jī)器完成動(dòng)作的復(fù)雜程度，看人們希望達(dá)到怎樣的控制精度和速度?！碧栈⒄f(shuō)。

科學(xué)家一直希望在不損傷大腦的情況下，通過(guò)技術(shù)革新，把讀取大腦信號(hào)的質(zhì)量提高一點(diǎn)。

“這項(xiàng)研究非常有價(jià)值。但從理論上講，不管它怎么提升精度，都達(dá)不到侵入式電極的空間和時(shí)間分辨率?！碧栈⒄f(shuō)，“為了提高信號(hào)質(zhì)量，研究者還是把顱骨切除了一部分，讓超聲信號(hào)能夠更好地進(jìn)去，因此也不能完全說(shuō)是非侵入式的。”

“由于血流信號(hào)比電信號(hào)遲鈍，所以速度是功能超聲‘天生缺陷’。”馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家Emilie Macé說(shuō)，“該研究中，解碼猴子的運(yùn)動(dòng)意圖大約需要2秒鐘?！?/p>

從“讀腦”到“控腦”

腦機(jī)接口是人腦與計(jì)算機(jī)或其他 電子設(shè)備之間直接交流和控制的通道，它可以讀取和解釋大腦活動(dòng)并將指令傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或機(jī)器。這包括三個(gè)步驟：一是大腦里讀取信號(hào)；二是通過(guò)編解碼算法，把信號(hào)破譯出來(lái)；三是用它合成文字、語(yǔ)音或指令來(lái)控制機(jī)器。

“這是科學(xué)家目前正在做的事情。實(shí)際上，再往前走一步，還應(yīng)該有個(gè)反饋的過(guò)程，也就是‘大腦神經(jīng)雙向閉環(huán)精準(zhǔn)調(diào)控’。”陶虎說(shuō)，“這才是真正意義上我們要做的腦機(jī)接口?！?/p>

陶虎解釋說(shuō)，現(xiàn)在只是讀出大腦信號(hào)，解析并傳輸給機(jī)器這一單向的過(guò)程。實(shí)際上腦機(jī)接口需要的是，碰到一個(gè)東西反饋給大腦，大腦知道碰到了東西，并進(jìn)一步作出反應(yīng)（抓取或推開(kāi)等），這才完成一個(gè)閉環(huán)的雙向調(diào)控。

“腦機(jī)接口除了‘讀腦’，在解析了人的神經(jīng)活動(dòng)和意圖以后還有‘腦控’這一步，比如提取大腦皮層的神經(jīng)信息來(lái)控制或移動(dòng)機(jī)械臂、假肢等。再進(jìn)一步，腦機(jī)接口還包含‘控腦’這個(gè)概念。這不是要去控制人的行為，而是通過(guò)引入有序的物理刺激，比如聲、光、電、磁等，來(lái)增強(qiáng)或替代原本大腦中受損的功能，比如外傷、中風(fēng)、腫瘤等疾病引起的腦功能衰退?！甭暂颊f(shuō)，“所以，未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)將不僅能讀取大腦的信息和意圖，還能夠刺激和輸入有用的神經(jīng)信號(hào)，這對(duì)有需要的患者和傷者來(lái)說(shuō)都將是福音?！?/p>

“腦機(jī)接口是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括電極、芯片、算法、植入機(jī)器人，也包括臨床驗(yàn)證、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等。在這個(gè)系統(tǒng)中，我國(guó)在某些方面，如編解碼、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上有一定基礎(chǔ)，或者說(shuō)處于第一梯隊(duì)，但電極、芯片、植入機(jī)器人、臨床驗(yàn)證等方面差距較大，還缺乏原創(chuàng)性技術(shù)。”陶虎說(shuō)，“雖然腦機(jī)接口的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用方面進(jìn)展迅猛，但總體上還處于這項(xiàng)研究的‘入口’處，腦機(jī)接口研究還任重道遠(yuǎn)?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.03.003