滚动浏览此页面时，您的大脑中正在发生什么？换句话说，大脑的哪些区域处于活动状态，哪些神经元正在与其他神经元交谈，以及它们向您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（BMI）的一个主要目标：人机界面可以读取和解释脑活动并将指令传输到计算机或机器。尽管这看起来像是科幻小说，但是现有的BMI可以例如将瘫痪的人与机械臂连接起来。该设备可以解释人的神经活动和意图，并相应地移动机械臂。
BMI发展的主要限制是该设备需要进行侵入性脑部手术才能读出神经活动。但是现在，加州理工学院的一项合作开发了一种新型的微创BMI，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，它可以以100微米的分辨率（单个神经元的大小约为10微米）准确地绘制大脑深部精确区域的大脑活动图。
新的fUS技术是创建侵入性较小但功能仍然强大的BMI的重要一步。
使用功能性超声对非人类灵长类动物大脑中的脉管系统进行了成像。
“由于神经损伤或疾病而失去活动能力的人，已经通过脑机界面的侵入形式进行运动了，”安德森实验室的博士后研究员，新研究的第一作者，萨姆纳·诺曼说。不幸的是，只有少数瘫痪最严重的人才有资格并且愿意将电极植入他们的大脑。功能超声是一种记录令人难以置信的令人兴奋的新方法，它可以在不损害脑组织的情况下记录详细的脑部活动。我们突破了超声神经成像的极限，并为它可以预测运动而感到兴奋。最令人兴奋的是，fUS是一项具有巨大潜力的年轻技术，这只是我们向更多人带来高性能，低侵入性BMI的第一步。
这项新研究是由Richard Andersen实验室，James G. Boswell神经科学教授，领导力实验室以及天桥和Chrissy Chen脑机接口中心主任以及加州理工学院的Chrissy Chen神经科学研究所之间的合作。化学工程和传统医学研究所研究员Mikhail Shapiro教授。夏皮罗（Shapiro）是Chen Institute的附属教员。
2021年3月22日，在神经元杂志上发表了一篇描述这项工作的论文。
通常，所有用于测量大脑活动的工具都有缺点。植入的电极（电生理学）可以非常精确地测量单个神经元水平的活动，但是，当然需要将这些电极植入大脑。功能磁共振成像（fMRI）等非侵入性技术可以对整个大脑进行成像，但需要笨重且昂贵的机器。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出高频声音脉冲，并测量这些声音振动如何在整个物质（例如人体的各种组织）中回波。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处反射。该技术通常用于在子宫内拍摄胎儿的图像，以及用于其他诊断成像。
超声波还可以“听到”器官的内部运动。例如，像经过的救护车一样，红细胞在接近超声波源时音调会增加，而在流失时会减少。通过测量这种现象，研究人员可以记录到100微米（以人发宽度为准）的大脑血流的微小变化。
“当大脑的一部分变得更加活跃时，流向该区域的血液就会增加。这项工作中的一个关键问题是：如果我们有像功能超声这样的技术，可以为我们提供大脑在空间和时间上的血流动力学的高分辨率图像，那么从该成像中是否有足够的信息来解码关于行为的有用信息？”夏皮罗说。答案是肯定的。这项技术产生了我们目标区域神经信号动力学的详细图像，而其他非侵入性技术（如fMRI）则无法看到这种图像。我们对电生理学进行了详细的介绍，但是侵入性却大大降低了。
这项合作始于Shapiro邀请功能超声的先驱，巴黎医学物理主任（ESPCI Paris Sciences et Lettres University，Inserm，CNRS）的Mickael Tanter于2015年在Caltech举行了一次研讨会。前安徒生实验室的博士后学者（现为UC Riverside的助理教授）Vasileios Christopoulos参加了演讲并提出了合作意向。夏皮罗（Shapiro），安徒生（Andersen）和坦特（Tanter）随后获得了美国国立卫生研究院（NIH BRAIN Initiative）的拨款，以进行研究。加州理工学院的工作由诺曼（Norman），克里斯托普洛斯（Norman）领导，诺曼是前Shapiro实验室的博士后研究员David Maresca（现为代尔夫特理工大学的助理教授）。Maresca和Christopoulos与Norman一起是这项新研究的第一作者。
该技术是在非人类灵长类动物的帮助下开发的，这些人被教导去做一些简单的任务，当涉及到某些提示时，它们会朝着特定的方向移动他们的眼睛或手臂。当灵长类动物完成任务时，fUS会测量后顶叶皮层（PPC）（参与计划运动的大脑区域）的大脑活动。安德森（Andersen）实验室已经研究了PPC数十年，并且以前已经使用电生理学绘制了该区域的大脑活动图。为了验证fUS的准确性，研究人员将fUS的大脑成像活动与先前获得的详细电生理数据进行了比较。
接下来，在加州理工学院的T＆C Chen脑机接口中心的支持下，研究小组旨在查看fUS图像中与活动有关的变化是否可以用于解码非人类灵长类动物的意图，甚至在它启动之前。运动。然后，通过机器学习算法处理超声成像数据和相应的任务，该算法学习了脑活动的哪些模式与哪些任务相关。一旦对算法进行了训练，就会向其展示从非人类灵长类动物中实时收集的超声数据。
该算法在几秒钟内预测了非人类灵长类将要执行的行为（眼睛移动或触及），运动方向（左或右）以及他们何时计划进行该运动。
“第一个里程碑是表明超声波可以捕获与计划身体运动的想法有关的大脑信号，”具有超声成像专业知识的Maresca说。“功能性超声成像能够以比功能性MRI高10倍的灵敏度和更好的分辨率来记录这些信号。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进行脑部手术的电极阵列，其中包括打开硬脑膜，颅骨与大脑之间的坚固纤维膜，并将电极直接植入脑部。但是超声波信号可以非侵入性地穿过硬脑膜和大脑。只需在颅骨中植入一个小的超声波透明窗口即可；与植入电极相比，这种手术的侵入性明显更低。” Andersen说。
尽管这项研究是在非人类灵长类动物中进行的，但正在与南加州大学的神经外科医生Charles Liu博士进行合作，与由于颅脑外伤而有一块头骨的人类志愿者一起研究这项技术。删除。由于超声波可以不受影响地通过这些“声学窗口”传递，因此有可能研究功能性超声波如何很好地测量和解码这些个体的大脑活动。
参考：Sumner L. Norman，David Maresca，Vassilios N. Christopoulos，Whitney S. Griggs，Charlie Demene，Mickael Tanter，Mikhail G. Shapiro和Richard A. Andersen撰写的“使用功能性超声神经成像对运动意图进行单次解码” 2021年，神经元。
10.1016 / j.neuron.2021.03.003
该论文的标题为“使用功能性超声神经成像对运动意图进行单次解码”。其他合著者是法国巴黎科学和勒特雷斯大学的Caltech研究生Whitney Griggs和Charlie Demene，以及法国巴黎的INSERM生物医学超声技术研究促进剂。资金由Della Martin博士后研究金，人类前沿科学计划跨学科博士后研究金，UCLA-Caltech医学科学培训计划，美国国立卫生研究院脑计划，天桥和Chrissy Chen脑-机器接口中心，博斯韦尔基金会和传统医学研究所。
