科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣
據(jù)最新一期《自然·神經(jīng)科學(xué)》雜志報(bào)道，一項(xiàng)新研究證實(shí)，美國(guó)加州理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)的功能性超聲（FUS）技術(shù)可以成為一種“在線(xiàn)”腦機(jī)接口（BMI）的基礎(chǔ)，這種BMI可以讀取大腦活動(dòng)，通過(guò)用機(jī)器學(xué)習(xí)編程的解碼器破譯其含義，從而控制一臺(tái)延時(shí)極短、可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)。
解剖記錄平面和行為任務(wù)。 圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
2021年，加州理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用功能性超聲讀取大腦活動(dòng)的方法，這是一種侵入性小得多的技術(shù)。
超聲波成像的工作原理是發(fā)射高頻聲音脈沖，然后測(cè)量這些聲音振動(dòng)在物質(zhì)（如人體的各種組織）中的回聲。聲波在這些組織類(lèi)型中以不同的速度傳播，并在它們之間的邊界反射。這項(xiàng)技術(shù)通常用于拍攝子宮內(nèi)胎兒的圖像及其他診斷成像。
由于頭骨不能透過(guò)聲波，因此使用超聲波進(jìn)行腦部成像需要在頭骨上安裝一個(gè)透明的“窗口”。超聲波技術(shù)不需要植入大腦本身，這大大降低了感染的機(jī)會(huì)，并使腦組織及其保護(hù)性硬腦膜完好無(wú)損。
神經(jīng)元活動(dòng)的變化會(huì)引起它們對(duì)氧氣等代謝資源的利用發(fā)生變化。這些資源通過(guò)血液重新補(bǔ)充，這是功能性超聲波的關(guān)鍵。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用超聲波來(lái)測(cè)量流向特定大腦區(qū)域的血流的變化。就像救護(hù)車(chē)的警報(bào)聲隨距離遠(yuǎn)近而改變音調(diào)一樣，紅細(xì)胞會(huì)在反射的超聲波接近聲源時(shí)增高音調(diào)，而在遠(yuǎn)離聲源時(shí)降低音調(diào)。
通過(guò)測(cè)量這種多普勒效應(yīng)，研究人員可以記錄大腦血液流動(dòng)的微小變化，空間區(qū)域只有100微米寬，大約為一根頭發(fā)那么寬。他們能夠同時(shí)測(cè)量廣泛分布在整個(gè)大腦中的微小神經(jīng)細(xì)胞群的活動(dòng)，其中一些小到只有60個(gè)神經(jīng)元。
研究人員使用功能性超聲來(lái)測(cè)量非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物頂葉后皮質(zhì)（PPC）的大腦活動(dòng)，該區(qū)域負(fù)責(zé)規(guī)劃并幫助執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被教會(huì)了兩項(xiàng)任務(wù)：移動(dòng)手來(lái)引導(dǎo)屏幕上的光標(biāo)，移動(dòng)眼睛看屏幕的特定部分。它們只需要考慮執(zhí)行任務(wù)，而不是實(shí)際移動(dòng)眼睛或手，因?yàn)锽MI可以讀取它們的大腦活動(dòng)。
超聲波數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)發(fā)送到解碼器，然后生成控制信號(hào)，將光標(biāo)移動(dòng)到希望的地方。BMI能夠成功地對(duì)8個(gè)徑向目標(biāo)執(zhí)行此操作，而平均誤差很小。
總編輯圈點(diǎn)：
帶有濃濃科幻色彩的腦機(jī)接口技術(shù)，正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)?！肮韫蠕撹F俠”埃隆·馬斯克對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的投入，進(jìn)一步讓它變得炙手可熱，倍受社會(huì)關(guān)注。不過(guò)從目前來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，存在諸多不足。比如侵入式腦機(jī)接口往往對(duì)使用者身體帶來(lái)?yè)p傷，甚至容易在創(chuàng)口引起炎癥反應(yīng)；非侵入式的腦機(jī)接口需要佩戴笨重的頭盔，體驗(yàn)感有待改進(jìn)。與腦機(jī)接口相關(guān)的腦科學(xué)、電子信息技術(shù)、材料學(xué)等領(lǐng)域的科研進(jìn)展，將不斷助推這項(xiàng)技術(shù)迭代升級(jí)。