阅读思想与超声波

发生了什么在你的大脑和你通过这个页面滚动吗?换句话说,你的大脑区域是活跃的,哪些神经元和其他人,和他们发送你的肌肉是什么信号?

神经活动映射到相应的行为神经科学家开发的主要目标(bmi指数):脑机接口的设备读取和解释大脑活动和传输到电脑或机器指令。虽然这看起来可能像科幻小说,现有的bmi指数可以,例如,将一个瘫痪的人与机械臂;该设备对人的神经活动和相应的意图和移动机械臂。

发展的一个主要限制bmi指数是设备需要侵入性脑部手术宣读神经活动。但是现在,加州理工学院合作开发了一种新型的微创BMI宣读的大脑活动对应于运动的计划。使用功能超声波(付)技术,它可以准确地地图精确地区的大脑活动大脑深处的决议100微米(单个神经元的大小大约是10微米)。

新付创建微创技术是一个重要的一步,但仍然非常能干,bmi指数。

“侵入性形式的脑机接口已经可以把运动还给那些已经失去它由于神经损伤或疾病,”萨姆纳·诺曼说,在安徒生实验室博士后和co-first这项新研究的作者。“不幸的是,只有少数最严重瘫痪有资格和愿意电极植入大脑。功能超声波是一个非常激动人心的新方法来记录详细的大脑活动在不损害脑组织。我们推动超声波的局限性神经影像和激动,它可以预测运动。最令人兴奋的是,付家与巨大的它是一个年轻的技术是我们的第一步将高性能、微创BMI更多的人。”

这项新研究是一个合作的实验室理查德•安德森教授詹姆斯·g·博斯韦尔神经科学和领导的椅子和天桥,问陈脑机接口中心主任陈在天桥和克丽斯加州理工学院神经科学研究所;化学工程教授和米哈伊尔·夏皮罗和传统医学研究所研究员。夏皮罗是一个附属与陈教员研究所。

有一篇描述这项研究发表在《神经元》杂志3月22日。

一般来说,所有的工具测量大脑活动有缺点。植入电极(电生理学)可以非常精确地测量活动单一神经元的水平,但是,当然,需要植入的电极植入大脑。非侵入性的功能性磁共振成像(fMRI)技术可以形象整个大脑但需要笨重且昂贵的机器。脑电图(脑电图)不需要手术,但是只能在低空间分辨率测量活动。

超声波通过发射脉冲的高频声音和衡量这些声音震动回声在一种物质,如人体的各种组织。通过这些声音传播速度不同组织类型,反映了它们之间的界限。这种技术通常用于胎儿在子宫内的图片,和其他诊断成像。

超声波还可以“听”的内部运动器官。例如,血红细胞,就像救护车,将增加在距方法超声波的来源,和减少流动。测量这一现象允许研究者微小变化记录在大脑的血流量下降到100微米(一根头发的宽度)的规模。

“当大脑变得更加活跃的一部分,有一个区域的血流量增加。这项工作中的一个关键问题是:如果我们有一个技术功能的超声波,让我们大脑的血流动力学的高分辨率图像在空间和时间,有足够的信息从图像解码一些有用的行为呢?”Shapiro says. "The answer is yes. This technique produced detailed images of the dynamics of neural signals in our target region that could not be seen with other non-invasive techniques like fMRI. We produced a level of detail approaching electrophysiology, but with a far less invasive procedure."

合作始于夏皮罗邀请明星之恒,功能性的先驱超声波和医学物理主任巴黎(Inserm ESPCI巴黎科学等《大学CNRS),给一个研讨会在2015年加州理工学院。前安徒生Vasileios Christopoulos实验室博士后学者(现为加州大学河滨分校助理教授)、参加讨论和提出了一种协作。夏皮罗,安徒生,然后经常收到了NIH大脑主动追求的研究。在加州理工学院的工作是由诺曼,前夏皮罗实验室博士后研究员大卫·马雷斯卡(现在的代尔夫特理工大学助理教授),和Christopoulos。随着诺曼,马雷斯卡和Christopoulos co-first作者在新的研究。

技术开发与非人类的灵长类动物的帮助下,他们被教导要做简单的任务,包括移动他们的眼睛或手臂在某些方向时提供一定的线索。作为灵长类动物完成了任务,付家测量大脑活动后顶叶皮层(PPC)的大脑区域参与规划运动。安徒生实验室研究了PPC几十年来,以前创建的大脑活动在该地区的地图使用电生理学。验证的准确性还要更多,研究者相比,脑成像活动从付家之前详细的电生理学数据获得的。

接下来,通过条件陈脑机接口的支持中心在加州理工学院,团队旨在看看付家的活动依赖性变化图像可以用来解码非人灵长类动物的意图,甚至在它发起了一场运动。超声波成像数据和相应的任务被处理的一种机器学习算法,它知道的大脑活动模式的相关任务。一旦训练算法,它提出了与超声实时收集的数据的非人类的灵长类动物。

算法预测,几秒钟之内,非人灵长类动物行为什么是执行(眼球运动或达到),运动的方向(左或右),而当他们打算做运动。

“第一个里程碑是表明超声波可以捕捉大脑信号相关规划物理运动的思想,“说马雷斯卡、超声波成像方面的专业知识。“功能超声波成像能够记录这些信号灵敏度和分辨率比10倍功能性核磁共振。这一发现是成功的核心的脑机接口基于功能超声波。”

“当前高分辨率的脑机接口使用电极阵列需要脑部手术,其中包括打开硬脑膜,强劲的头骨和大脑之间的纤维膜,和植入电极直接进入大脑。但是超声波信号可以通过硬脑膜和脑方法。只有一小,ultrasound-transparent窗口需要植入头骨;这个手术是侵入性显著低于所需植入电极,”安德森说。

虽然这项研究是在非人类的灵长类动物,进行协作与查尔斯·刘博士,神经外科医生在南加州大学,研究技术与人类的志愿者,因为创伤性脑损伤,有一块头骨移除。因为超声波可以影响穿过这些“声窗户,“可以研究如何功能超声波可以测量和解码大脑活动在这些个体。

参考:诺曼SL,马雷斯卡D, Christopoulos VN et al。实验解码的运动意图使用功能超声波神经影像。神经元。2021;0 (0)。doi:10.1016 / j.neuron.2021.03.003

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