當(dāng)你點開這篇文章，你的大腦中正在發(fā)生什么？換句話說，你的大腦中，哪些區(qū)域處于活動狀態(tài)，哪些神經(jīng)元正在與其他神經(jīng)元“交談”，以及它們合謀向你的肌肉發(fā)送了什么信號？

如何將神經(jīng)活動映射到相應(yīng)的行為，是神經(jīng)科學(xué)家們開發(fā)腦機接口（BMI）的重要研究方向。與之息息相關(guān)的人機界面，被用于讀取和解釋腦活動并將指令傳輸?shù)接嬎銠C或機器。

盡管這聽起來非常科幻，但現(xiàn)有的BMI成果已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)將癱瘓的人與機械臂相互連接，并能解釋人的神經(jīng)活動和意圖，進而相應(yīng)地移動機械臂（加州理工團隊有過類似的進展）。

不過，這一類的BMI進展，仍需要使用硬件設(shè)備進行侵入性腦部手術(shù)，才能實現(xiàn)神經(jīng)活動的讀取。

直到最近，神經(jīng)科學(xué)頂級期刊Neuron在線發(fā)表了一項振奮人心的研究：一支科學(xué)家團隊實現(xiàn)了用超聲波讀取猴腦，成功預(yù)測其運動意圖。

參與這項研究的機構(gòu)包括美國加州理工學(xué)院、陳天橋雒芊芊腦機接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）等，研究通訊作者之一是陳天橋雒芊芊腦機接口中心主任Richard Andersen教授。論文題為Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging。

Science在對這項進展的報道中寫道：這為“更低創(chuàng)的腦機接口”鋪平了道路。

未參與該研究的斯坦福大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Krishna Shenoy稱：“這項研究將超聲波技術(shù)納入到腦機接口領(lǐng)域，令人驚嘆。”

超聲波“讀腦”

具體而言，研究團隊利用超聲波成像，預(yù)測猴子眼/手的運動信息，并根據(jù)這些信息生成機器人臂或電腦光標指令。對這一方法加以改進，將有望為癱瘓病人提供一種無需穿透大腦便可控制假肢的新方法。 “由于神經(jīng)損傷或疾病而失去活動能力的人，已經(jīng)通過侵入式腦機技術(shù)獲得運動能力。不幸的是，只有少數(shù)癱瘓最嚴重的人才有資格并且愿意將電極植入他們的大腦。而功能超聲是一種令人興奮的新方法，它可以在不損害腦組織的情況下記錄詳細的腦部活動。我們突破了超聲神經(jīng)成像的極限，并為它可以預(yù)測運動而感到興奮。最重要的是，fUS是一項具有巨大潛力的年輕技術(shù)，這是我們?yōu)楦嗳藥砀咝阅堋⒌颓秩胄訠MI的第一步”，論文一作Sumner L. Norman表示。 這項進展之前，超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用并不罕見。長期以來，醫(yī)生們一直使用該技術(shù)對內(nèi)臟進行成像，比如通過其反射來指示體內(nèi)不同組織與體液之間的邊界。 大約十年前，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種將超聲波用于腦部成像的方法，即fUS（functional ultrasound）。該方法使用寬而平的聲平面替代狹窄的波束，使得其能夠比傳統(tǒng)超聲更快地捕捉到大面積的聲音。

與功能性磁共振成像（fMRI）一樣，fUS可以通過測量血流的變化，指示神經(jīng)元活躍及耗能時間。其圖像比功能磁共振成像分辨率更高，受試者也不需要躺進巨大的掃描儀。 論文作者之一、加州理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家Richard Andersen指出，此技術(shù)仍需要切除一小塊頭骨，但與直接讀取神經(jīng)元電活動的植入電極不同，不必打開大腦的保護膜（brain’s protective membrane）。fUS可以在不穿透組織的情況下讀取大腦深處的區(qū)域活動。 不過，遠距離測量神經(jīng)活動，這意味著會犧牲一些速度和精度。

論文作者之一、加州理工學(xué)院生化工程師Mikhail Shapiro說，與電極讀數(shù)相比，fUS提供的信號顯得“不太直接”，所以這就有一個問題：超聲波圖像真正包含了多少信息？

這些圖像可以揭示意圖產(chǎn)生時大腦的神經(jīng)活動，但是，所得信號中，讓計算機能夠解碼預(yù)期運動的信息充足嗎？ 為了找到答案，研究人員在兩只恒河猴的頭骨上植入了一些小的超聲波傳感器，大小和形狀大致相當(dāng)于多米諾骨牌。這個裝置通過一根電線連接到一臺電腦上，將聲波定向到大腦中一個涉及運動意圖的區(qū)域后頂葉皮質(zhì)，以100微米的分辨率（單個神經(jīng)元的大小約為10微米）繪制精確區(qū)域的大腦活動圖。 研究人員訓(xùn)練猴子把眼神集中在屏幕中央的一個小點上，而在屏幕左側(cè)或右側(cè)，則另一個小點不斷閃爍。當(dāng)中心的點消失時，動物們很自然地將眼睛移到閃爍點附近。另一組實驗中，猴子則需要用手操作操縱桿完成上述移動。 接下來，研究人員希望知道，記錄而得的fUS圖像中，與活動有關(guān)的變化是否可以用于解碼非人類靈長類動物的意圖，進而通過機器學(xué)習(xí)算法處理超聲成像數(shù)據(jù)和相應(yīng)的任務(wù)。

算法將負責(zé)學(xué)習(xí)哪種大腦活動模式與哪些任務(wù)相關(guān)，一旦對算法進行了訓(xùn)練，研究人員就會向其展示從非人類靈長類動物中實時收集的超聲數(shù)據(jù)。之后，計算機算法將超聲波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對猴子意圖的猜測。

算法可以確定動物準備進行移動的時間，并顯示這些猴子是計劃轉(zhuǎn)動眼球還是要伸展手臂。結(jié)果顯示，在預(yù)測動作是向左還是向右上，眼球運動的預(yù)測準確率約為78%，而手部則約為89%。 此前曾有研究利用猴子大腦的fUS數(shù)據(jù)，來重建動物所看到的東西或眼球運動。但要做到這一點，就需要拉平長時間或多次運動收集到的信號。在這項新的研究中，研究人員收集了足夠多的數(shù)據(jù)，使得其在每次猴子意圖運動時，都能做出預(yù)測。

真正可用的腦機接口還遠嗎？

根據(jù)加州理工學(xué)院介紹，這項合作研究，源于2015年Shapiro邀請fUI領(lǐng)域的先驅(qū)Mickael Tanter教授在加州理工學(xué)院做一個研討會。

事實上，加州理工學(xué)院的腦機接口研究屬世界一流水平。而對國內(nèi)普通大眾而言，這一認知恐怕還與一個頂尖富豪的名字有關(guān)——陳天橋。

巧合的是，就在這項研究發(fā)表前不久，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大佬黃錚宣布退休投入生命科學(xué)領(lǐng)域。而在他之前，對投入生命科學(xué)持如此決心和姿態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)焦點人物，正是陳天橋。

這位昔日的中國互聯(lián)網(wǎng)之王和首富，曾在2016年做出一個讓業(yè)界震驚的決定：投入生命科學(xué)領(lǐng)域，向加州理工學(xué)院捐贈1.15億美金，創(chuàng)立陳天橋雒芊芊研究院（TCCI），以推進腦科學(xué)研究。后TCCI又與加州理工共建陳天橋雒芊芊腦機接口中心。“人類多年的發(fā)展并沒有解決大腦和宇宙這兩件事情”，陳天橋曾如此闡述自己投資大腦科學(xué)的初衷。

同樣是在2016年，馬斯克也進軍該領(lǐng)域，只不過是以商業(yè)公司的形式，成立了Neutralink。2020年，該公司還高調(diào)召開發(fā)布會宣布階段性成果（見“數(shù)據(jù)實戰(zhàn)派”報道：馬斯克首次NeuraLink發(fā)布會，應(yīng)該如何批判性看待？），更讓腦機接口技術(shù)迎來了前所未有的關(guān)注，甚至大幅提高了普通民眾對這一技術(shù)的落地時間表期待。

那么，這次的研究進展會加速這個“時間表”嗎？

Shenoy表示，考慮到反應(yīng)速度及可解碼動作的復(fù)雜性，fUS“在接近已有植入技術(shù)的水平前還有一段路要走”，因為，不僅是向左或向右，電極植入技術(shù)已經(jīng)可以完成多個方向的預(yù)期手臂運動解碼了。下一步的關(guān)鍵，是利用計算機的實時預(yù)測來操縱機器人手臂或光標。

Max Planck神經(jīng)生物學(xué)研究所（Max Planck Institute of Neurobiology）的神經(jīng)科學(xué)家Emilie Macé補充道，由于血流信號比電信號更遲鈍，所以速度是功能超聲“天生缺陷”。她指出，研究人員解碼猴子的運動意圖大約需要2秒鐘。 Macé提出了這些技術(shù)未來發(fā)展的一些思路，其中包括用3D成像替換平面成像來收集更多組織信息。

“這項技術(shù)的潛能還沒有完全發(fā)揮出來。”

原文標題：陳天橋雒芊芊腦機接口中心等團隊新成果：超聲波“讀腦”，用思想控制機器的新方法

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