无需植入芯片，超声波读懂猴脑

　　编译/大路
　　当今的人脑控制设备主要依赖于插入大脑的微小电线，但最近，研究人员开发出了一种新型「对大脑侵入性较低」的方案。他们利用超声波成像来预测猴子的眼睛或手的「意向动作」——这些信息可以为机械臂或电脑光标生成指令。如果这种方法能够得到进一步的改进，可以为瘫痪的人提供一种新的控制假肢的手段，而不需要真正「穿透」大脑。
　　图示：超声波显示胎儿。（来源：cmescience.com）
　　长期以来，医生们一直在用超声波来探测我们的内脏并显示成图像。这是利用了一种叫做「换能器」的设备向人体发送超声波脉冲，然后这些超声波反弹回「不同组织和液体之间的边界」。
　　大约十年前，研究人员发现了一种使超声波适应大脑成像的方法。这种方法被称为功能性超声成像，它使用了一个宽阔、平坦的「声音平面」，而不是狭窄的声束，可以比传统的超声更快速地捕捉大面积的图像。像功能性磁共振成像（fMRI）一样，功能性超声测量的是血流的变化，表明神经元何时处于活跃状态并消耗能量。但它创建的图像比fMRI具有更精细的分辨率，参与者也不需要躺在一个巨大的扫描仪中。
　　该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，它不用打开大脑的「保护膜」，加州理工学院的神经科学家Richard Andersen（理查德·安德森）指出：功能性超声成像可以在不穿透组织的情况下从大脑深处的区域进行读取信息。
　　图示：未来大脑控制设备。（来源：cnn.com）
　　不过，从远处测量神经活动也意味着要牺牲一些速度和精度，安德森的同事、加州理工学院生化工程师Mikhail Shapiro（米哈伊尔-夏皮罗）说，「与插入大脑的电极读数相比，功能性超声波提供了不那么直接的信号，这里也存在一个问题，即超声波图像到底包含多少信息。」图像可以揭示大脑准备运动时的神经活动。但是，该信号中是否有足够的细节，让计算机能够解读出预期的动作？
　　为了找出答案，研究人员在两只猕猴的头骨中插入了小型超声波传感器，大约是多米诺骨牌的大小和形状。该装置通过电线连接到计算机上，声波则发射向下进入大脑的一个区域，后顶叶皮层（参与规划身体运动）。
　　在实验中，猴子们会将视力集中在屏幕中心的一个小点上，同时第二个小点在左边或右边短暂地闪烁。当中心小点消失时，动物们将眼睛移到第二个小点最近闪过的地方。在另一组实验中，它们伸出手来，移动一个操纵杆，而不是眼睛，朝那个点移动。
　　然后，用算法将超声波数据转化为对猴子意图的猜测。该算法可以确定动物们何时准备移动，以及它们是在计划眼球运动还是手臂伸展。科学家们前几天在《神经元》（Neuron）杂志上报告说，他们可以预测动作是向左还是向右，眼球运动的准确率约为78%，伸手的准确率为89%。
　　此前有两项研究利用猴子大脑的功能性超声波数据，重建了动物所看到的东西或它们的眼球运动。但这样做需要对长时间段或多次运动的信号进行平均，而在新的研究中，研究人员收集了足够的数据，以便在实验的每一次运行中进行预测（每次猴子计划移动的时候）。
　　「这是一个重要的特征，」莫纳什大学的神经科学家Maureen Hagan（莫林·哈根）说，他曾研究过大脑如何协调运动，「比如说，机械臂的使用者会希望只想一次自己打算的动作——让手臂动起来。你肯定不希望使用者必须在做许多次尝试之后，机器才能读懂他们的意图。」
　　「下一步的关键是利用计算机的实时预测来引导机器人的手或光标，功能性超声波在速度和它能解码的动作的复杂性方面，较『植入芯片』还有很大的差距。」
　　例如，电极植入物已经可以解码许多方向的手臂运动，而不仅仅是左右运动。当然，很多患者可能会更喜欢这种不需要穿透大脑的方法。
　　由于血流信号比电信号更迟钝，速度是功能性超声波的固有限制，马克斯-普朗克神经生物学研究所的神经科学家Emilie Macé（埃米莉·麦克）补充道。研究人员需要大约2秒钟的数据来解码猴子的运动规划，但只要计算机能根据用户的提示迅速引导手臂的精细动作，超声波仍可用于引导机械臂。
　　埃米莉表示，该技术存在许多改进的可能性，包括使其通过对3D组织块而非平面成像来收集更多信息。「值得相信的是，这项技术绝对还没有发挥出全部潜力。」
　　原文地址：https://www.sciencemag.org/news/2021/03/ultrasound-reads-monkey-brains-opening-new-way-control-machines-thought