一种侵入性较小的解码大脑意图的技术

 

当你滚动网页时，你的大脑发生了什么?换句话说，你大脑的哪些区域是活跃的，哪些神经元在和其他神经元交流，它们向你的肌肉发送了什么信号?

 

将神经活动映射到相应的行为是神经科学家开发脑机接口(brain - machine interface, BMIs)的一个主要目标:这种设备可以读取和解释大脑活动，并向计算机或机器发送指令。虽然这看起来像是科幻小说，但现有的bmi指数可以，例如，用机械手臂连接瘫痪的人;该装置可以解释人的神经活动和意图，并相应地移动机械臂。

 

发展bmi的一个主要限制是，该设备需要侵入性的脑部手术来读取神经活动。但现在，加州理工学院的一项合作开发了一种新型的微创BMI指数，它可以读出与运动计划相对应的大脑活动。使用功能超声(fUS)技术，它可以精确地绘制大脑深处精确区域的活动，分辨率为100微米(单个神经元的大小约为10微米)。天富平台登录

 

新的fUS技术是在创造侵入性更小、但仍具有高度能力的bmi方面迈出的重要一步。

 

非人类灵长类动物大脑中的脉管系统

 

非人类灵长类动物大脑血管系统的细节，使用功能性超声波成像。来源:美国诺曼

 

“侵入式的脑机接口已经可以让那些因神经损伤或疾病失去运动能力的人恢复运动能力，”安德森实验室的博士后研究员、这项新研究的共同第一作者萨姆纳·诺曼说。“不幸的是，只有少数最严重的瘫痪患者有资格并愿意将电极植入他们的大脑。功能性超声波是一种非常令人兴奋的新方法，可以在不损伤脑组织的情况下记录大脑的详细活动。我们突破了超声波神经成像的极限，并为它可以预测运动而激动不已。最令人兴奋的是，fUS是一项具有巨大潜力的年轻技术，这只是我们将高性能、低侵入性BMI带给更多患者的第一步。”

 

这项新研究是由Richard Andersen、James G. Boswell神经科学教授和天桥脑机接口中心主任兼主任以及加州理工学院神经科学研究所Chrissy Chen的实验室合作完成的;以及化学工程教授和传统医学研究所研究员米哈伊尔·夏皮罗。夏皮罗是陈研究所的附属教员。

 

一篇描述这项工作的论文发表在2021年3月22日的《神经元》杂志上。天富平台登录

 

总的来说，所有测量大脑活动的工具都有缺点。植入电极(电生理学)可以非常精确地测量单个神经元的活动，但是，当然，需要将这些电极植入大脑。功能性磁共振成像(fMRI)等非侵入性技术可以对整个大脑成像，但需要笨重昂贵的机器。脑电图(eeg)不需要手术，但只能在低空间分辨率下测量活动。

 

超声波的工作原理是发射高频声波脉冲，并测量这些声波振动如何在物质中产生回声，例如人体的各种组织。声音在这些组织类型中以不同的速度传播，并在它们之间的边界上反射。这项技术通常用于子宫内胎儿的成像，以及其他诊断成像。

 

超声波也能“听到”器官的内部运动。例如，红血球，就像一辆经过的救护车，当它们接近超声波源时，音高会增加，当它们离开时音高会减少。通过测量这一现象，研究人员可以记录到大脑血液流动的微小变化，其范围可低至100微米(相当于人类头发的宽度)。

 

“当大脑的某一部分变得更加活跃时，流向该区域的血流量就会增加。这项工作的一个关键问题是:如果我们有一种像功能性超声波这样的技术，可以为我们提供大脑血流动力学在空间和时间上的高分辨率图像，从图像中是否有足够的信息来解码有关行为的有用信息?”夏皮罗说。答案是肯定的。这项技术可以产生目标区域神经信号动力学的详细图像，这是其他非侵入性技术如功能磁共振成像(fMRI)所无法看到的。我们产生了一种接近电生理学的细节，但侵入性要小得多。”