江南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”—新闻—科学网
时间：2023-10-24 14:26:48 已阅读:77次
脑机接口（BMIs）于全世界的研究正热火朝天，神经科学家们但愿经由过程如许一种装备将神经勾当映照到响应的举动，它以读取息争释年夜脑勾当，并向计较机或者呆板发送指令。
现实上，现有的脑机接口已经经带给人类一些欣喜。例如，用机械手臂毗连瘫痪的人，这一装配可以注释人的神经勾当以及用意，并响应地挪动机械臂。但毕竟哪一种 读心术 更切确完善？今朝科学家仍于摸索中。本地时间3月22日，神经科学顶级期刊《神经元》（Neuron）于线揭晓了由美国加州理工学院的生物与生物项目学系、陈天桥雒芊芊脑机接口中央（T C Chen Brain-Machine Interface Center）等团队的研究职员结合完成的一项研究，题为 Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging 。研究通信作者为陈天桥雒芊芊脑机接口中央主任Richard Andersen传授、持久开发无创成像以及细胞功效节制份子技能的Mikhail Shapiro传授。 据加州理工学院先容，这项互助研究始在2015年Shapiro约请功效性超声范畴的前驱、法国巴黎文理研究年夜学的Mickael Tanter传授于加州理工学院做一个钻研会。Shapiro、Andersen以及Tanter随后得到了美国国立卫生研究院脑规划拨款，继承举行这项研究。 研究团队的方针是攻破今朝脑机接口成长的一个重要限定，也就是装备需要侵入性的脑部手术来读取神经勾当。研究职员开发了一种新型的微创脑机接口，它可以读出与运动规划相对于应的年夜脑勾当。他们使用了功效性超声(fUS)技能，它可以切确地绘制年夜脑深处切确区域的勾当，分辩率为100微米，单个神经元巨细约为10微米。 没有介入这项研究的斯坦福年夜学神经科学家Krishna Shenoy说， 这项研究将使超声波作为一种脑机接口技能而有名，把它增添到 东西包 中长短常了不得的。 于加州理工学院对于该研究的报导中，Andersen试验室的玻士后研究员、这项研究的配合第一作者Sumner Norman说， 侵入式的脑机接口已经经可让那些因神经毁伤或者疾病掉去运动威力的人恢复运动威力。 不幸的是，只要少数最严峻的瘫痪患者有资历并情愿将电极植入他们的年夜脑。 Norman说， 功效性超声波是一种很是使人高兴的新要领，可以于不毁伤脑构造的环境下记载年夜脑的具体勾当。咱们冲破了超声波神经成像的限定，并为它可以猜测运动而冲动不已经。最使人高兴的是，fUS是一项具备伟大潜力的新技能，这只是咱们将高机能、低侵入性脑机接口带给更多患者的第一步。 整体而言，所有丈量年夜脑勾当的东西都出缺点。例如，植入电极(电心理学)可以很是切确地丈量单个神经元的勾当，可是它需要将这些电极植入年夜脑；功效性磁共振成像(fMRI)等非侵入性技能可以对于整个年夜脑成像，但需要粗笨昂贵的呆板；脑电图(EEGs)不需要手术，但只能于低空间分辩率下丈量勾当。 超声波的事情道理是发射高频声波脉冲，并丈量这些声波振动怎样于物资中孕育发生反响，例如人体的各类构造。声音于这些构造类型中以差别的速率流传，并于它们之间的界限上反射。咱们所熟知的是，这项技能今朝凡是被用在子宫内胎儿的成像，和其他诊断成像。 而超声波也能 听到 器官的内部运动。例如，红血球就像一辆颠末的救护车，当它们靠近超声波源时，音高会增长，当它们脱离时音高会削减。经由过程丈量这一征象，研究职员可以记载到年夜脑血液流动的微小变迁。 当年夜脑的某一部门变患上越发活跃时，流向该区域的血流量就会增长。这项事情的一个要害问题是：假如咱们有一种技能，好比功效性超声波，可认为咱们提供年夜脑血流动力学于空间以及时间上的高分辩率图象，那末这类成像是否有充足的信息来解码有关举动的有效信息？ Shapiro暗示，谜底是必定的，这项技能可以孕育发生方针区域神经旌旗灯号动力学的具体图象，这是其他好比功效磁共振成像(fMRI)等非侵入性技能所没法看到的。咱们能得到靠近电心理学的细节，但侵入性要小患上多。 为验证团队的这项技能，研究职员于两只恒河猴的头骨中插入了一些小的超声波换能器，其巨细以及外形与多米诺骨牌差未几。山公被教会做一些简朴的使命，包孕于特定的提醒下向特定的标的目的挪动眼睛或者手臂。 当这些灵长类植物完成使命时，功效性超声波丈量了后顶叶皮层(PPC)的年夜脑勾当，PPC是年夜脑中介入规划运动的区域。Andersen试验室研究PPC已经经有几十年，以前试验室已经经使用电心理学绘制了该区域的年夜脑勾当图。为验证功效性超声波的正确性，研究职员将功效性超声波的脑成像勾当与先前得到的电心理学数据举行了比力。 接下来，于加州理工学院陈天桥雒芊芊脑机接口中央的撑持下，研究团队的方针是看看功效性超声波图象中依靠在勾当的变迁是否可以用来解码非人类灵长类植物的用意，以至于它最先运动以前。然后，超声波成像数据以及响应的使命由呆板进修算法处置惩罚，算法旨于相识年夜脑勾当模式与哪些使命相干。 研究显示，于几秒钟内猜测出非人类灵长类植物将要举行的举动(眼球运动或者舒展)、运动标的目的(向左或者向右)，和它们规划什么时候运动。论文显示，这一新要领猜测山公眼球运动的正确率约为78%，猜测舒展运动的正确率为89%。 第一个里程碑是证实超声波可以捕获到与规划身体运动相干的年夜脑旌旗灯号。 论文的配合第一作者David Maresca说， 功效性超声成像记载这些旌旗灯号的敏捷度以及分辩率是功效性磁共振成像的10倍，这一发明是基在功效超声的脑机接口乐成的焦点。 今朝高分辩率的脑机接口使用电极阵列，需要举行脑部手术，包孕打开硬脑膜(头骨以及年夜脑之间的强纤维膜)，并将电极间接植入年夜脑。可是超声波旌旗灯号可以非侵入性地穿过硬脑膜以及年夜脑，这类手术比植入电极的侵入性要小患上多。 Andersen说。 别的值患上值患上一提的是，此前有两项研究曾经使用山公年夜脑的功效性超声数据来重修植物所看到的工具或者它们的眼球运动。但要做到这一点，就需要对于永劫间周期或者屡次运动的旌旗灯号举行平均。于这项新研究中，研究职员网络了充足的数据，以便于每一次试验中、每一次山公规划运动时做出猜测。 这是一个主要的特性。 莫纳什年夜学的神经科学家Maureen Hagan说， 例如，机械手臂的用户只需要思量一次他们想要的运动，就能够让手臂挪动。你不但愿试验对于象不能不做许多测验考试的动作来解读他们的用����APP意。 值患上一提的是，虽然今朝揭晓的这项研究是于非人类灵长类植物身长进行的，但据加州理工学院先容，研究团队与南加州年夜学神经外科大夫Charles Liu互助的另外一项事情正于举行中，目的就是研究这项新技能，介入的人类自愿者凡是是因为脑外伤而移除了了一块头骨。 研究团队以为，由于超声波可以不受影响地经由过程这些 声窗 ，以是研究功效性超声波怎样丈量息争码这些个别的年夜脑勾当将成为可能。 斯坦福年夜学神经科学家Shenoy还评价道，下一步的要害是使用计较机及时猜测来指导呆板人的手或者光标。他增补说，从可以解码的动作的速率以及繁杂性层面来讲，功效性超声波 于最先靠近植入技能的程度以前另有很长的路要走。 例如，植入电极已经经可以敌手臂的多个标的目的举行解码，而不单单是摆布标的目的。但有些病人可能更喜欢一种不消穿透年夜脑就能将它们毗连到电脑上的假体， 患者但愿可以选择。 Shenoy说。 马克斯 普朗克神经生物学研究所的神经科学家Emilie Mac 增补说，因为血流旌旗灯号比电旌旗灯号越发迟缓，速率是功效性超声波固有的局限性。Mac 指出，研究职员需要约莫2秒的时间来解码山公的运动规划。但她同时暗示，只有电脑可以或许按照用户的提醒倏地指导机械手臂的邃密运动，超声波仍旧可以指导机械手臂。 Mac 还猜测了该技能的很多将来革新，包孕经由过程对于构造的3D成像而不是平面成像来网络更多信息。 这项技能绝对于尚未阐扬出全数潜力。 出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的“来历”，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/江南