《与犯罪对抗的每一天》脑科学科普站

38、使用超声波技术解码大脑

　　多家公司联合开发基于超声波技术的脑机接口

　　2023年是脑机接口（BCI）技术大发展的一年：这些设备可以解码大脑信号，并利用这些信号控制外部设备，或利用设备改变大脑信号。BCI开发商Neuralink、Paradromics和Synchron都在临床试验过程中达到了重要的里程碑。这些公司都在开发能与大脑进行交互的BCI，但最近宣布的一项研究合作正在开发一种使用完全不同介质的脑机接口：超声波。

　　今年10月，Forest Neurotech和Butterfly Network这两家公司宣布了一项2000万美元的联合研究计划，旨在开发一种基于超声波的脑机接口。Forest Neurotech公司将授权Butterfly Network公司开发一种微创超声BCI设备，用于学术和研究领域。

　　?超声波既可以用来刺激大脑，也可以用来记录大脑。FOREST NEUROTECH

　　大多数脑机接口系统通过读取电信号来测量大脑活动，有些系统还会对大脑进行电刺激。Forest提出的设备将使用高频声波与大脑进行交互。这种方法的背后科学原理不寻常但很简单：直接聚焦超声波（FUS）可以改变神经元的动作电位——脑细胞用来相互交流的离子电流。超声还可以通过多普勒效应测量局部血流变化来估计大脑区域内的神经活动，这种技术被称为功能性超声成像(fUSI)。

　　Forest公司首席技术官威廉·比德曼（William Biederman）说，Butterfly公司的技术将使他的团队能够制造出一种脑机接口，当植入用户的头骨时，它将使用超声波刺激大脑，并以“亚毫米的精度”记录大脑的活动。

　　为什么要在脑机接口中使用超声波？

　　与其他神经刺激和成像技术相比，超声波具有某些优势。在刺激方面，聚焦的超声波可以灵活地从头骨外瞄准整个大脑的特定区域。相比之下，电刺激技术在空间上更受限制，因为电在脑组织中的传播距离并不长，因此电刺激大脑深部区域需要在相关部位附近放置电极的侵入性外科手术。要对大脑进行电记录，需要在头皮上植入深层植入物或电极，这些电极只能记录靠近表面的大脑区域的活动。通过超声波记录深层神经活动无法穿过头骨，但可以通过移除一块头骨并将设备放置在大脑表面来实现。

　　Butterfly公司的超声波硬件将大型临床超声波系统的音频生成、转向和记录功能集成到一个芯片大小的设备上。Forest公司计划利用这些超声波芯片用定向和聚焦的超声波来刺激大脑区域，同时也用fUSI来测量神经活动。

　　?Butterfly Network的超声波芯片技术将被用于一种新的脑机接口

　　fUSI技术通过测量血流的变化来估计神经活动的变化。神经元与所有细胞一样，都需要血液才能发挥作用。神经活动的增加需要血流量的增加，fUSI技术通过向感兴趣的大脑区域投射超声波并记录反射波来测量血流量。当声音从大量流动的血液中反弹回来时，返回的声波会以不同于发射声波的频率摆动。fUSI利用这种多普勒频移现象来估算血流的变化，并以此来推断神经元的电化学颤动。

　　Forest公司顾问、加州理工学院教授米哈伊尔·夏皮罗(Mikhail Shapiro)说：“利用功能超声波对血流进行神经活动成像效果非常好。它的效果比最初提出这个想法时任何人的预期都要好得多”。

　　超声波既能记录也能控制神经活动。虽然后一种现象至少在 20 世纪 50 年代就已为人所知，但科学家们仍然不清楚FUS究竟为何能让神经元放电。在最近的实验中，超声波能量直接作用于啮齿类动物的离体脑组织，神经科学家发现，高频声波似乎能打开特定的钙离子通道，但这种相互作用的确切物理原理仍是一个谜。

　　参考内容

　　https://spectrum.ieee.org/bci-ultrasound

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作者有话说

　　注：部分摘自脑机接口社区