超声波「读心术」,读懂恒河猴的想法,无需开颅植入电极

新智元2021-03-29
当你浏览这篇文章的时候,你的大脑里发生了什么?换句话说,你大脑的哪些区域是活跃的,哪些神经元正在与其他神经元交流,它们在向你的肌肉发送什么信号?

编者按:本文来自微信公众号“新智元”(ID:AI_era)来源:外媒,编辑:LQ,36氪经授权发布。

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: BMI可以读取和解释大脑活动,并将指令传输到计算机或机器。

虽然这看起来像是科幻小说,但是现有的BMI可以做到,例如,为瘫痪的人连接机械臂,BMI可以解释人的神经活动和意图,并相应地移动机械臂。

但是,这些设备需要通过脑外科手术植入设备来读取神经活动。

现在,研究人员已经研发出了一种「创口更小」的方法。他们利用「超声波成像技术」来预测猴子的眼睛或手的活动,这些信息可以生成指令指挥机械臂或计算机光标

如果未来这种方法继续得到改进,那对于安装「假肢」的病人来说就是一种福音,他们就无需用植入大脑的设备来控制假肢。

「作为应用于脑机接口的新技术,超声波自这项研究开始一举成名,这非常了不起。」斯坦福大学的神经科学家Krishna Shenoy这样评价。

神经科学家 Krishna Shenoy

超声波读取大脑信息,无需大脑植入设备

一直以来,医生利用超声检查来获得我们内脏的图像——通过传感器将超声波脉冲信号发送到人体内,这些信号反射回来指示不同组织和液体之间的界限。

大概十年前,研究人员发现了一种方法——把超声波适用于「脑成像」。

这种方法被称为功能性超声(functional ultrasound,fUS),与传统的超声相比,功能性超声使用一个宽而平的声平面来代替一个狭窄的声束来更快地捕获一个大的区域。

像功能性磁共振成像(fMRI)一样,功能性超声检测血液流动的变化,显示神经元何时处于活跃状态,何时消耗能量。但是功能性超声创建的图像比fMRI分辨率高得多,而且检测者也不需要躺在一个昂贵且笨重的扫描仪中。

侵入式的脑机接口已经可以让那些由于神经损伤或疾病而丧失运动能力的人恢复运动。

不幸的是,只有极少数严重瘫痪的人才有资格并且愿意在他们的大脑中植入电极。

功能性超声是一种新方法,可以在不损伤大脑组织的情况下记录详细的大脑活动。

「我们挑战了超声神经成像的极限,并为它能够预测运动而激动不已。最令人兴奋的是,这是一项具有巨大潜力的技术,只是我们为更多人带来高性能、低侵入性 BMI 的第一步。」该研究论文一作之一Sumner Norman表示。

非人灵长类动物大脑中脉管系统的细节,使用功能性超声成像(图源:S. Norman)

另一名参与者、加州理工学院的神经科学家Richard Andersen指出,这项技术仍然需要移除一小块头骨,但与直接读取神经元电活动的「植入电极」不同,它不会打开大脑的保护膜。

功能性超声可以读取大脑深处的区域信息,且无需穿透大脑组织。

2015年,神经科学家Richard Andersen(左)发布的项目「教病人用意念控制机械臂」

然而,该项目的另一个参与者、加州理工学院的生物化学工程师Mikhail Shapiro说,从远距离判断神经活动将会使「速度和精度」打折扣。

他说,与电极读数相比,功能性超声提供的「信号不那么直接」,因此「存在一个问题,即超声图像到底包含了多少信息」。

这些图像可以揭示大脑为活动做准备时的神经活动。但问题是,这个信号中有足够的细节来让计算机解码预期的动作吗?

动作预测准确率高达89%

为了找到答案,研究人员在两只恒河猴的头骨中植入了大小和形状类似多米诺骨牌的小型超声波传感器。该设备通过一根电线连接到计算机上,将声波传入大脑中一个叫做后顶叶皮层(posterior parietal cortex,PPC)的区域,这个区域负责计划动作。

研究人员训练这两只猴子将视线集中在屏幕中央的一个小点上,同时第二个小点在左边或右边短暂闪过。

当中心点消失时,猴子将视线移到第二个点刚刚闪烁的地方。在另一组实验中,猴子伸出手(而不是眼睛)朝第二个点移动操纵杆。

然后,研究人员用一种计算机算法将从猴子身上收集的超声波数据转换成对猴子意图的猜测。该算法可以确定这些猴子什么时候准备移动,以及它们是在计划作出眼球动作还是手臂伸展。

近日,研究人员在《神经元》杂志上发表了他们的成果Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging,可以预测一个动作是左转还是右转,预测眼动的准确率约为78% ,手臂活动的准确率约为89%.

之前的两项研究已经使用猴子大脑的功能性超声波数据来重建它们看到的内容或眼球运动。

但要做到这一点,就需要对长时段或多次移动的信号进行平均。在这项新的研究中,研究人员收集了足够的数据,以便在每次猴子计划作出动作时,做出预测。

这是一个重要的特征,Monash University的神经学家Maureen Hagan说,他研究的是大脑如何协调运动。例如,使用机械臂的人会想,他们只需要想一次自己想要的动作,就可以让机械臂动起来。「你不希望受试者为了解读他们的意图而不得不多次重复他们想要做的动作。」

未来,功能性超声要突破「速度」的限制

斯坦福大学的神经科学家Krishna Shenoy说,下一步研究的关键将是利用计算机「实时预测」来引导机械手或光标。

就速度和它可以解码的运动的复杂性而言,功能性超声「在接近植入技术(可以做到的)水平之前还有很长的路要走」。

例如,电极植入物已经能够在多个方向(不仅仅是左右)解码预期的手臂动作。但是有些病人可能更喜欢一种不需要植入大脑就能连接到电脑上的假体。「这个因人而异,病人需要多个选择。」

Max Planck神经生物学研究所的神经科学家Emilie Macé补充说,由于血流信号比电流信号更缓慢,「速度」是功能性超声的固有限制。

Macé 指出,研究人员需要大约2秒钟来解码猴子的运动计划。但是只要计算机能够根据使用者的提示快速引导机械臂的精细运动,超声波仍然可以引导机械臂。

Macé表示未来这项技术仍需很多改进,包括通过对组织的「3D成像」而不是平面来收集更多的信息。

但是「这项技术绝对还没有发挥出全部潜力。」

参考资料:

https://www.sciencemag.org/news/2021/03/ultrasound-reads-monkey-brains-opening-new-way-control-machines-thought

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(21)00151-3

+1
2

好文章,需要你的鼓励

参与评论
登录后才能参与讨论哦...
后参与讨论
提交评论0/1000

请回复有价值的信息,无意义的评论将很快被删除,账号将被禁止发言。

文章提及的项目

下一篇

元宇宙是个筐,什么都能往里装?

2021-03-29

36氪APP让一部分人先看到未来
36氪
鲸准
氪空间

推送和解读前沿、有料的科技创投资讯

一级市场金融信息和系统服务提供商

聚焦全球优秀创业者,项目融资率接近97%,领跑行业