當(dāng)你瀏覽這篇文章的時候，你的大腦里發(fā)生了什么？換句話說，你大腦的哪些區(qū)域是活躍的，哪些神經(jīng)元正在與其他神經(jīng)元交流，它們在向你的肌肉發(fā)送什么信號？

將神經(jīng)活動映射到相應(yīng)的行為是神經(jīng)科學(xué)家開發(fā)腦機接口(BMI)的一個主要目標(biāo): BMI可以讀取和解釋大腦活動，并將指令傳輸?shù)接嬎銠C或機器。

雖然這看起來像是科幻小說，但是現(xiàn)有的BMI可以做到，例如，為癱瘓的人連接機械臂，BMI可以解釋人的神經(jīng)活動和意圖，并相應(yīng)地移動機械臂。

但是，這些設(shè)備需要通過腦外科手術(shù)植入設(shè)備來讀取神經(jīng)活動。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)研發(fā)出了一種「創(chuàng)口更小」的方法。他們利用「超聲波成像技術(shù)」來預(yù)測猴子的眼睛或手的活動，這些信息可以生成指令指揮機械臂或計算機光標(biāo)。

如果未來這種方法繼續(xù)得到改進，那對于安裝「假肢」的病人來說就是一種福音，他們就無需用植入大腦的設(shè)備來控制假肢。

「作為應(yīng)用于腦機接口的新技術(shù)，超聲波自這項研究開始一舉成名，這非常了不起。」斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Krishna Shenoy這樣評價。

神經(jīng)科學(xué)家 Krishna Shenoy

超聲波讀取大腦信息，無需大腦植入設(shè)備

一直以來，醫(yī)生利用超聲檢查來獲得我們內(nèi)臟的圖像——通過傳感器將超聲波脈沖信號發(fā)送到人體內(nèi)，這些信號反射回來指示不同組織和液體之間的界限。

大概十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法——把超聲波適用于「腦成像」。

這種方法被稱為功能性超聲（functional ultrasound，fUS），與傳統(tǒng)的超聲相比，功能性超聲使用一個寬而平的聲平面來代替一個狹窄的聲束來更快地捕獲一個大的區(qū)域。

像功能性磁共振成像(fMRI)一樣，功能性超聲檢測血液流動的變化，顯示神經(jīng)元何時處于活躍狀態(tài)，何時消耗能量。但是功能性超聲創(chuàng)建的圖像比fMRI分辨率高得多，而且檢測者也不需要躺在一個昂貴且笨重的掃描儀中。

侵入式的腦機接口已經(jīng)可以讓那些由于神經(jīng)損傷或疾病而喪失運動能力的人恢復(fù)運動。

不幸的是，只有極少數(shù)嚴重癱瘓的人才有資格并且愿意在他們的大腦中植入電極。

功能性超聲是一種新方法，可以在不損傷大腦組織的情況下記錄詳細的大腦活動。

「我們挑戰(zhàn)了超聲神經(jīng)成像的極限，并為它能夠預(yù)測運動而激動不已。最令人興奮的是，這是一項具有巨大潛力的技術(shù)，只是我們?yōu)楦嗳藥砀咝阅堋⒌颓秩胄?BMI 的第一步。」該研究論文一作之一Sumner Norman表示。

非人靈長類動物大腦中脈管系統(tǒng)的細節(jié)，使用功能性超聲成像（圖源：S. Norman）

另一名參與者、加州理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Richard Andersen指出，這項技術(shù)仍然需要移除一小塊頭骨，但與直接讀取神經(jīng)元電活動的「植入電極」不同，它不會打開大腦的保護膜。

功能性超聲可以讀取大腦深處的區(qū)域信息，且無需穿透大腦組織。

2015年，神經(jīng)科學(xué)家Richard Andersen（左）發(fā)布的項目「教病人用意念控制機械臂」

然而，該項目的另一個參與者、加州理工學(xué)院的生物化學(xué)工程師Mikhail Shapiro說，從遠距離判斷神經(jīng)活動將會使「速度和精度」打折扣。

他說，與電極讀數(shù)相比，功能性超聲提供的「信號不那么直接」，因此「存在一個問題，即超聲圖像到底包含了多少信息」。

這些圖像可以揭示大腦為活動做準(zhǔn)備時的神經(jīng)活動。但問題是，這個信號中有足夠的細節(jié)來讓計算機解碼預(yù)期的動作嗎？

動作預(yù)測準(zhǔn)確率高達89%

為了找到答案，研究人員在兩只恒河猴的頭骨中植入了大小和形狀類似多米諾骨牌的小型超聲波傳感器。該設(shè)備通過一根電線連接到計算機上，將聲波傳入大腦中一個叫做后頂葉皮層（posterior parietal cortex，PPC）的區(qū)域，這個區(qū)域負責(zé)計劃動作。

研究人員訓(xùn)練這兩只猴子將視線集中在屏幕中央的一個小點上，同時第二個小點在左邊或右邊短暫閃過。

當(dāng)中心點消失時，猴子將視線移到第二個點剛剛閃爍的地方。在另一組實驗中，猴子伸出手（而不是眼睛）朝第二個點移動操縱桿。

然后，研究人員用一種計算機算法將從猴子身上收集的超聲波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對猴子意圖的猜測。該算法可以確定這些猴子什么時候準(zhǔn)備移動，以及它們是在計劃作出眼球動作還是手臂伸展。

近日，研究人員在《神經(jīng)元》雜志上發(fā)表了他們的成果Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging，可以預(yù)測一個動作是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，預(yù)測眼動的準(zhǔn)確率約為78% ，手臂活動的準(zhǔn)確率約為89%.

之前的兩項研究已經(jīng)使用猴子大腦的功能性超聲波數(shù)據(jù)來重建它們看到的內(nèi)容或眼球運動。

但要做到這一點，就需要對長時段或多次移動的信號進行平均。在這項新的研究中，研究人員收集了足夠的數(shù)據(jù)，以便在每次猴子計劃作出動作時，做出預(yù)測。

這是一個重要的特征，Monash University的神經(jīng)學(xué)家Maureen Hagan說，他研究的是大腦如何協(xié)調(diào)運動。例如，使用機械臂的人會想，他們只需要想一次自己想要的動作，就可以讓機械臂動起來。「你不希望受試者為了解讀他們的意圖而不得不多次重復(fù)他們想要做的動作。」

未來，功能性超聲要突破「速度」的限制

斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Krishna Shenoy說，下一步研究的關(guān)鍵將是利用計算機「實時預(yù)測」來引導(dǎo)機械手或光標(biāo)。

就速度和它可以解碼的運動的復(fù)雜性而言，功能性超聲「在接近植入技術(shù)(可以做到的)水平之前還有很長的路要走」。

例如，電極植入物已經(jīng)能夠在多個方向(不僅僅是左右)解碼預(yù)期的手臂動作。但是有些病人可能更喜歡一種不需要植入大腦就能連接到電腦上的假體。「這個因人而異，病人需要多個選擇。」

Max Planck神經(jīng)生物學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家Emilie Macé補充說，由于血流信號比電流信號更緩慢，「速度」是功能性超聲的固有限制。

Macé 指出，研究人員需要大約2秒鐘來解碼猴子的運動計劃。但是只要計算機能夠根據(jù)使用者的提示快速引導(dǎo)機械臂的精細運動，超聲波仍然可以引導(dǎo)機械臂。

Macé表示未來這項技術(shù)仍需很多改進，包括通過對組織的「3D成像」而不是平面來收集更多的信息。

但是「這項技術(shù)絕對還沒有發(fā)揮出全部潛力。」