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超声波“读心”!陈天桥雒芊芊脑机接口中心等团队研究登顶刊

Evelyn Zhang

以往,许多脑机接口(BMIs)设备需要侵入性的脑部手术,来读取神经活动,这成为了其应用的一大瓶颈。但随着相关技术与研究的进展,科学家们已经为理解大脑中神经回路和系统动态活动提供了关键突破口。

近日,美国加州理工学院的生物与生物工程学系、陈天桥雒芊芊脑机接口中心(T&C Chen Brain-Machine Interface Center)等团队的研究人员,展示了一种基于功能性超声波的微创方法,可用于检测神经相关的运动规划,包括运动时间、方向和效应。该成果也成功突破了超声波神经成像的限制。

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当非人类灵长类动物(NHPs)进行记忆引导运动时,研究人员们使用功能性超声波(fUS)神经成像,以100μm分辨率记录脑血容量的变化。

具体来看,研究人员开发了一种新型的微创脑机接口,它可以读出与运动计划相对应的大脑活动。研究人员们从后顶叶皮层上方的硬脑膜外进行记录,这是一个对空间感知、多感觉整合和运动规划很重要的大脑区域。然后他们使用来自运动前延迟期的fUS信号,来解码动物的预期方向和效应体。

单次尝试解码是脑机接口的先决条件,这是一项可能受益于这项技术的关键应用。基于他们的研究成果,目前团队已经向成功开发出创伤小、分辨率高、可扩展的神经记录和大脑接口工具迈出了关键一步。

而事实上,超声波还能应用于其他诊断成像,而他们的这项技术,将可以产生目标区域神经信号动力学的详细图像——功能磁共振成像(fMRI)等非侵入性技术将无法做到这一点。

在后续的进一步实验中,研究人员在两只恒河猴的头骨中插入了一些小的超声波换能器,猴子被教会做一些简单的任务,包括在特定的提示下向特定的方向移动眼睛或手臂。

结果显示,功能性超声波图像中依赖于活动的变化,在几秒钟内就可以预测出非人类灵长类动物将要进行的行为(眼球运动或伸展)、运动方向(向左或向右),以及它们计划何时运动。论文显示,这一新方法预测猴子眼球运动的准确率约为78%,预测伸展运动的准确率为89%。

3月22日,他们的研究成果发表在神经科学顶级期刊《神经元》(Neuron)上,题为“Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging”。研究通讯作者为陈天桥雒芊芊脑机接口中心主任Richard Andersen教授、长期开发无创成像和细胞功能控制分子技术的Mikhail Shapiro教授。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0896627321001513


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