超声波图像|陈天桥雒芊芊脑机接口中心等团队研究登顶刊：超声波“读心”
脑机接口（BMIs）在全球的研究正如火如荼，神经科学家们希望通过这样一种设备将神经活动映射到相应的行为，它以读取和解释大脑活动，并向计算机或机器发送指令 。
实际上，现有的脑机接口已经带给人类一些惊喜 。例如，用机械手臂连接瘫痪的人，这一装置可以解释人的神经活动和意图，并相应地移动机械臂 。但究竟哪种“读心术”更精确完美？目前科学家仍在探索中 。当地时间3月22日，神经科学顶级期刊《神经元》（Neuron）在线发表了由美国加州理工学院的生物与生物工程学系、陈天桥雒芊芊脑机接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）等团队的研究人员联合完成的一项研究，题为“Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging” 。研究通讯作者为陈天桥雒芊芊脑机接口中心主任Richard Andersen教授、长期开发无创成像和细胞功能控制分子技术的Mikhail Shapiro教授 。
据加州理工学院介绍，这项合作研究始于2015年Shapiro邀请功能性超声领域的先驱、法国巴黎文理研究大学的Mickael Tanter教授在加州理工学院做一个研讨会 。Shapiro、Andersen和Tanter随后获得了美国国立卫生研究院脑计划拨款，继续进行这项研究 。
研究团队的目标是打破目前脑机接口发展的一个主要限制，也就是设备需要侵入性的脑部手术来读取神经活动 。研究人员开发了一种新型的微创脑机接口，它可以读出与运动计划相对应的大脑活动 。他们使用了功能性超声(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，单个神经元大小约为10微米 。
没有参与这项研究的斯坦福大学神经科学家Krishna Shenoy说，“这项研究将使超声波作为一种脑机接口技术而出名，把它添加到‘工具包’中是非常了不起的 。”
在加州理工学院对该研究的报道中，Andersen实验室的博士后研究员、这项研究的共同第一作者Sumner Norman说，“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 。”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 。
Norman说，“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限制，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新技术，这只是我们将高性能、低侵入性脑机接口带给更多患者的第一步 。”总体而言，所有测量大脑活动的工具都有缺点 。例如，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，但是它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(EEGs)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 。我们所熟知的是，这项技术目前通常被用于子宫内胎儿的成像，以及其他诊断成像 。
【超声波图像|陈天桥雒芊芊脑机接口中心等团队研究登顶刊：超声波“读心”】而超声波也能“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 。
“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：如果我们有一种技术，比如功能性超声波，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，那么这种成像是否有足够的信息来解码有关行为的有用信息？”
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