脑机接口案例：如何用超声波技术实现无创“读脑”

近期，顶级学术期刊《Nature》子刊《自然·神经科学》最新一期公布了一份研究成果：美国加州理工学院研究团队基于脑机接口（BMI），开发了一种功能性超声（fUS）神经影像新兴技术，通过在两只恒河猴上进行实验测试，最终发现，fUS技术可以成为“在线”BMI基础——它可以读取大脑活动，通过用机器学习编程的解码器破译其含义，从而控制一台延时极短、可准确预测运动的计算机。

这一研究发现为确认超声脑机接口技术的可行性，以及新型微创（硬膜外）脑机接口技术发展提供重要指引依据。

本论文作者、美国加州理工学院神经科学教授、天桥脑科学研究院（TCCI）脑机接口中心主任Richard Andersen教授表示，fUS是一种全新的模式，它提供了比大脑植入物侵入性更小、有吸引力的选择方案，并且不需要持续重新校准，从而可添加到脑机接口方案中，帮助更多瘫痪患者恢复神经损伤。

据悉，TCCI是由盛大集团创始人陈天桥、雒芊芊夫妇私人出资10亿美元创建的支持人类脑科学研究的科研机构。据官网消息称，陈天桥夫妇曾捐赠1.15亿美元资助加州理工学院的神经科学研究所。本研究是在该研究所Richard Andersen实验室进行的，同时还获得TCCI脑机接口中心和美国国立卫生研究院等机构的资金支持。

“这项技术是作为一项真正的协作努力而开发的，无法仅靠一个实验室来完成。”Richard Andersen表示。

《科技日报》对此发表评论文章称，“带有浓浓科幻色彩的脑机接口技术，正在走进现实。不过从目前来看，这项技术仍处于起步阶段，存在诸多不足。而与脑机接口相关的脑科学、电子信息技术、材料学等领域的科研进展，将不断助推这项技术迭代升级。”

据悉，脑机接口（Brain-Machine Interface，BMI，也称BCI）是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。具体来说，脑机接口技术可分为非侵入式、半侵入式以及侵入式三种。

清华大学医学院长聘教授高小榕表示，脑机接口是很多学科交叉而形成的一个科学领域。它是个硬核科技，并非其他领域研究的技术延伸，而是一个重要的技术汇聚。他认为，脑机接口未来将是一个不可或缺的前沿技术。

随着特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）成立Neuralink，对脑机接口技术持续投入，进一步让它变得炙手可热，倍受社会关注。目前，脑机接口技术已能够完成单词拼写，设备控制，游戏交互等功能，以及猪、猴子这类动物性实验，而且脑机芯片、脑电采集平台、产品和应用、医疗机构等产业链上下游均有企业布局。

然而，当前脑机接口技术并不完美。随着脑机接口可以使慢性瘫痪患者能够仅用思想来控制计算机、机器人等，但现有的脑机接口技术在侵入性、性能、空间覆盖等方面需要权衡。比如，侵入式脑机接口往往对使用者身体带来损伤，甚至容易在创口引起炎症反应；非侵入式的脑机接口需要佩戴笨重的头盔，体验感有待改进等。此外，每天使用脑机接口设备之前，患者和医生还需要共同重新校准计算设备高达15分钟以上。

为了解决这些问题，2021年，加州理工学院Richard Andersen教授团队就开发了一种新的、侵入性小得多的读取大脑活动方法：功能性超声（fUS）神经影像技术。其技术工作原理是发射高频声音脉冲，然后测量这些声音振动在物质（如人体的各种组织）中的回声，然后声波以不同类型、不同速度传播，并在它们之间的边界反射。此前，该技术通常被用于拍摄孕妇子宫内胎儿及其他诊断图像。

这次，Richard Andersen教授团队以“使用闭环超声脑机接口解码运动计划”为题，将fUS技术在脑机接口领域的研究和实验过程信息发表在顶级学术期刊《自然·神经科学》杂志中。

首先，论文中提到，fUS是一种平衡且补充现有的脑机接口技术瓶颈的技术。而研究人员使用超声波来测量流向特定大脑区域的血流的变化。他们可以记录大脑血液流动的微小变化，空间区域只有100微米宽，大约为一根头发那么宽。他们能够同时测量广泛分布在整个大脑中的微小神经细胞群的活动，其中一些小到只有60个神经元。

其次，论文中指出，为了表明这一方法可成功实施，实验团队进行了一场恒河猴身上的脑机接口动物实验。通过在两只恒河猴进行眼睛和手部运动时的后顶叶皮层传输fUS数据，来测量非人灵长类动物顶叶后皮质（PPC）的大脑活动——规划并帮助执行运动。实验期间，研究人员训练恒河猴，并且使得实验动物被教会了两项任务：移动手来引导屏幕上的光标，移动眼睛看屏幕的特定部分。它们只需要考虑执行任务，而不是实际移动眼睛或手，因为脑机接口可以读取它们的大脑活动。

最后，超声波数据被实时发送到解码器，然后生成控制信号，将光标移动到希望的地方。最终完成训练后的实验猴子，可以使用计算机控制多达八个运动（径向目标）方向，控制平均误差小于40度。同时，团队还开发了一种预训练数据的脑机接口方法，使得猴子可以实时对计算机进行控制和反馈。

 

在恒河猴实验中植入fUS技术的整个过程（图片来源：论文）  

本论文第一作者、加州理工学院博士后客座研究员萨姆纳·诺曼（Sumner L. Norman）表示，相对于功能磁共振成像（fMRI）、脑电图（EEG）等其他技术来说，fUS技术方案可以更好定位深部大脑功能，实现脑机接口的最佳反馈。此外，Norman还是神经科学公司Forest Neurotech联合创始人、CEO。

本论文作者、加州理工学院化学与医学工程系教授Mikhail Shapiro表示，“我记得二十年前当这种预测解码与电极一起使用时是多么令人印象深刻，而现在，看到它与超声波等侵入性小得多的方法一起使用时，真是令人惊奇。”

另外，除了加州理工学院团队外，法国巴黎INSERM医学物理Mickael Tanter实验室团队也参与了该研究过程。

值得注意的是，本研究还由T&C Chen脑机接口中心资助、Richard Andersen实验室中进行的。

 

据悉，天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）成立于2016年，是由陈天桥、雒芊芊夫妇私人出资10亿美元创建的，旨在聚焦AI＋脑科学，支持、推进全球范围内脑科学研究，造福全人类，目前已经成为知名的支持人类脑科学研究的科研机构。2022年12月，耗资2.4亿美元、占地15万平方英尺的全新加州理工学院天桥神经科学研究大楼 (CNRB）建成。

与此同时，TCCI还重点投入于中国本土科研，TCCI一期投入5亿元人民币支持中国的脑科学研究，与上海周良辅医学发展基金会合作成立上海陈天桥脑健康研究所（又名TCCI转化中心），致力于提升脑健康和脑疾病治疗研究和成果转化。后又与华山医院、上海市精神卫生中心等建立战略合作，设立了应用神经技术前沿实验室、人工智能与精神健康前沿实验室。

在国际上，TCCI与加州理工学院合作成立TCCI加州理工研究院，设脑机接口、社交与决策神经科学、系统神经科学、分子与细胞神经科学、大脑成像、神经科学教育等多个中心，重点关注大脑基础研究。TCCI还在北美、亚洲、欧洲、大洋洲主办、资助了200多场高质量的学术会议。

盛大网络创始人、天桥脑科学研究院创始人陈天桥曾对钛媒体App表示，TCCI不介入科研研究，只是资助身份，让科学家放开手脚去做一些很重磅的研究课题，只要最终能够落地，对人类有贡献，有帮助，足矣。将“不计成本”的支持科学家开放研究。

“我们TCCI搜遍世界上的科学家和实验室，通过5~10个实验室，建立早期的技术模型，不但要资助，而且要将最具潜力、前途的科学家挖进我们的实验室，给他们学术自由、给他们资金，让这些科学家发挥才能，能够做出一个非侵入式的，为人类造福的脑科学技术解决方案。”陈天桥表示。

据了解，未来，Richard Andersen团队还计划研究基于超声技术的脑机接口技术如何在人体中发挥作用，并进一步开发fUS技术，从而实现三维成像以提高准确性。

审核编辑：黄飞