用超声波读心术:加州理工学院的新脑机接口

信贷:CALTECH.

解码大脑意图的较少侵入性的技术

在您通过此页面滚动时,您的大脑发生了什么?换句话说,你的大脑的哪个区域都活跃,神经元正在与其他人交谈,他们送到你的肌肉是什么信号?

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(BMI)的主要目标:读取和解释大脑活动的设备,并将指令传输到计算机或机器。虽然这似乎是科幻小说,但是,现有的BMI可以,例如,用机器人手臂连接一个瘫痪的人;该器件解释该人的神经活动和意图,并相应地移动机器人手臂。

对BMI的发展的主要限制是该器件需要侵入性脑外手术来读出神经活动。但现在,CALTECH的合作开发了一种新型的微创BMI,以读出与运动规划相对应的大脑活动。使用功能性超声(FUS)技术,可以在100微米的分辨率(单个神经元的尺寸约为10微米的脑中,将精确地图从大脑深度的精确区域映射大脑活动。

新的FUS技术是创造较少侵入性的重要一步,但仍然有能力,BMIS仍然有能力。

脉管系统在非人类灵长类动物大脑中的细节,使用功能超声成像。信用:S. Norman

安德森实验室博士后、这项新研究的第一作者之一萨姆纳·诺曼(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。”“不幸的是,只有少数瘫痪最严重的人有资格并愿意在他们的大脑中植入电极。功能性超声是一种令人难以置信的令人兴奋的新方法,可以在不损伤脑组织的情况下记录详细的大脑活动。我们推动了超声神经成像的极限,并对它可以预测运动感到兴奋。最令人兴奋的是,fUS是一项具有巨大潜力的年轻技术——这只是我们为更多的人带来高性能、低侵入性BMI的第一步。”

新的研究是理查德安德森的实验室之间的合作,詹姆斯·博斯韦尔教授神经科学和领导议员,天桥和Chrissy Chen脑机接口中心主任,Chantcho和Chrissy Chen Chen Chen Chen Neurocience Chan of Caltech学院;和米哈尔·夏洛洛,化学工程与遗产研究院调查员教授。Shapiro是一名与陈研究所的附属教员。

描述工作的论文出现在日志中神经元2021年3月22日。

通常,所有用于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一神经元水平的活性,但是当然,要求将这些电极植入大脑中。像功能性磁共振成像(FMRI)这样的非侵入式技术可以通过整个大脑进行图像,但需要笨重和昂贵的机械。脑电图(EEGS)不需要手术,但只能测量低空间分辨率的活动。

超声波通过发射高频声音的脉冲,测量在整个物质中的声音振动回声,例如人体的各种组织。声音通过这些组织类型以不同的速度行驶,并反映它们之间的边界。这种技术通常用于拍摄胎儿的图像在子宫内,以及其他诊断成像。

超声也可以“听到”器官的内部运动。例如,像通过救护车一样的红细胞将在接近超声波的源时增加俯仰,并且随着流失的流动而减小。测量这种现象允许研究人员记录大脑血液流量下降到100微米的微小变化(在人发的宽度的规模上)。

“当一部分大脑变得更加活跃时,血流增加到该地区。这项工作中的一个关键问题是:如果我们有一个像功能超声一样的技术,可以在空间和随着时间的推移给我们大脑血流动力学的高分辨率图像,从而有足够的信息来解码有助于行为的东西?“夏皮罗说。“答案是肯定的。该技术在我们的目标区域中制作了神经信号动态的详细图像,这些图像不能与FMRI这样的其他非侵入性技术看出。我们制作了一种接近电生理学的细节水平,但具有较少的侵入性程序。“

该协作开始,当Shapiro邀请Mickael Tanter,一个功能超声波的先驱和医学巴黎物理学导演(Espci Paris Sciences Et Lettres University,Inserm,CNRS),在2015年在Caltech举办研讨会。Vasileios Christeropoulos,前Andersen Lab博士后学者(现在是UC Riverside的助理教授),参加了谈判并提出了合作。夏皮罗,安德森和聊天然后收到了NIH脑倡议的授权,以追求这项研究。CALTECH的工作由诺曼,前夏皮罗实验室博士后博物馆David Maresca(德尔福特理工大学助理教授)和Christopoulos。与诺曼,Maresca和Christopoulos一起是新的研究中的第一作者。

该技术是借助非人的灵长类动物制定的,他被教导要做简单的任务,这些任务在呈现某些提示时涉及在某些方向上移动他们的眼睛或手臂。随着灵长类动物完成任务,Fus测量后部皮质皮层(PPC)中的脑活动,涉及规划运动的大脑区域。Andersen Lab已经研究了PPC数十年,并在该地区使用电生理学创建了大脑活动地图。验证准确性Fus,研究人员将脑成像活动与先前获得的详细电生理数据相比。

接下来,在加州理工学院T&C Chen脑机接口中心的支持下,该团队的目标是,看看fUS图像中与活动相关的变化能否被用来解码非人类灵长类动物的意图,甚至在它开始一个动作之前。然后,超声波成像数据和相应的任务被机器学习算法处理,该算法了解哪些大脑活动模式与哪些任务相关。一旦算法被训练,它就会呈现从非人类灵长类动物实时收集的超声波数据。

在几秒钟内预测的算法在几秒钟内,非人灵长类动物将进行哪些行为(眼睛运动或伸出杆),运动方向(左或右),以及他们计划锻炼运动。

“第一个里程碑是表明超声波可以捕获与规划身体运动的思想相关的大脑信号,”在超声成像中拥有专业知识的Maresca说。“功能超声成像管理以记录这些信号,具有比功能性MRI更高的10倍和更好的分辨率。这一发现是基于功能超声的脑机接口成功的核心。“

“目前的高分辨率脑机接口使用需要脑外科的电极阵列,该电极阵列包括打开硬脑膜,颅骨和大脑之间的强纤维膜,并将电极直接植入大脑中。但超声信号可以非侵入地穿过硬脑膜和脑。只需要植入颅骨的小型超声透明窗口;这种手术明显不如植入电极所需的侵入性,“Andersen说。

虽然这项研究是在非人的灵长类动物中进行的,但是合作与Charles Liu博士的作品,神经外科医生Founded in 1880, the University of Southern California is one of the world's leading private research universities. It is located in the heart of Los Angeles." class="glossaryLink ">USC.,研究与人类志愿者的技术,因为创伤性脑损伤,已经拆除了一块头骨。由于超声波可以通过这些“声学窗口”不受影响,因此可以研究功能性超声波如何测量和解码这些个体的大脑活动。

参考:“使用功能超声波的运动意图的单反试验意图”由Sumner L. Norman,David Maresca,Vassilios N. Christopoulos,Whitney S. Griggs,Charlie Demene,Mickael Tanter,Mikhail G. Shapiro和Richard A. Andersen,2021年3月22日,神经元
DOI:10.1016 / J.NEURON.2021.03.003

本文标题为“使用功能超声神经影像的单反动机单试次解码。”其他共同作者是CALTECH研究生WHITNEY GRIGGS和Paris SCIENCES的Charlie Demene Et Lettres University,并在法国巴黎的生物医学超声中的Insm技术研究加速器。资金由Della Martin Prodoctoral奖学权,人类前沿科学计划跨学科博士后奖学金,UCLA-CALTECH医学培训计划,国家卫生大脑倡议,天桥和Chrissy Chen脑机接口中心,波斯威尔基金会和遗产医学研究所。

加利福尼亚州理工学院 机器学习 神经科学 受欢迎的 超声波
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  • 布拉德阿诺德

    Fus(超声波)也可用于诊断个性。例如,有独特的个人应该被识别和咨询和帮助。是的,该技术是侵入性的,但它将节省大量资源,识别和指导更多资源。至少它应该是心理学家和精神病学的基本工具。