斯坦福出色科学家用超声波读取猴子大脑，“读心术”似乎呼之欲出

在人类中测试的最先进的心理控制设备依赖于插入大脑的细小电线。现在，研究人员已经为侵入性较小的方法铺平了道路。他们已经使用超声波成像来预测猴子预期的眼睛或手部运动，这些信息可以为机械臂或计算机光标生成命令。如果可以改进这种方法，它可能为瘫痪的人们提供一种无需设备即可穿透大脑的控制假肢的新方法。

斯坦福大学的神经科学家克里希纳·谢诺伊（Krishna Shenoy）说：“这项研究将把【超声波】作为一种人机界面技术放在地图上。”

“将其添加到工具包中是非常壮观的。”

长期以来，医生一直使用频率超出人类听力范围的声波来创建我们内脏的图像。一种称为换能器的设备将超声波ping信号发送到体内，然后回弹以指示不同组织和液体之间的边界。

大约十年前，研究人员找到了一种将超声用于脑成像的方法。这种方法被称为功能超声，它使用宽而平坦的声音平面而不是窄光束来捕获较大的区域，这比传统超声更快。像功能性磁共振成像（fMRI）一样，功能性超声可以测量血流的变化，从而指示神经元何时活动并消耗能量。但是它创建的图像比功能磁共振成像具有更高的分辨率，并且不需要参与者躺在大型扫描仪中。

这项技术仍然需要去除一小块头骨，但是与直接读取神经元电活动的植入电极不同，它不涉及打开大脑的保护膜。 -这项新研究的作者。功能性超声波可以从大脑深处读取，而不会穿透组织。

安德森（Andersen）的合著者，加州理工学院生化工程师米哈伊尔·夏皮罗（Mikhail Shapiro）说，从远处衡量神经活动仍意味着牺牲一些速度和精度。他说，与电极的读数相比，功能超声提供的信号“不太直接”，因此，“（超声图像）真正包含多少信息是一个问题。” 这些图像可以揭示大脑为运动做好准备时的神经活动。但是信号中是否有足够的细节供计算机解码预期的移动？

为了找到答案，研究人员在两只恒河猴的头骨中放入了大小和形状都差不多的小型超声波换能器。该设备（通过电线连接到计算机）将声波向下传播到大脑的后顶叶皮层区域，该区域参与了计划运动。

训练猴子将眼睛聚焦在屏幕中央的一个小点上，而第二个点在左侧或右侧短暂闪烁。当中心点消失时，动物将眼睛移到最近第二个点闪烁的位置。在另一组实验中，他们伸出手并向着该点移动了操纵杆，而不是眼睛。

然后，计算机算法将超声数据转换为关于猴子意图的猜测。该算法可以确定动物何时准备移动，以及它们是否计划眼睛运动或手臂伸出。他们今天在《神经元》杂志上报道说，科学家们可以以大约78％的眼动准确度和89％的触手准确度来预测一个运动是向左还是向右。

之前的两项研究使用了猴子大脑上的功超声能数据来重建动物所见或眼睛的运动。但是，这样做需要长时间或多次运动中的信号平均。在这项新研究中，研究人员收集了足够的数据，可以在每次实验中（猴子每次计划移动时）做出预测。

莫纳什大学的神经科学家莫琳·哈根（Maureen Hagan）说，这是一项重要功能，他研究了大脑如何协调运动。例如，机械手臂的使用者可能只想考虑一下他们的预期运动，以使手臂运动。“你不‘不想科目需要做很多【试图移动】到他们的意图进行解码。”

Shenoy说，下一步的关键是实时使用计算机预测来指导机器人手或光标。他补充说，就速度和可解码运动的复杂性而言，功能性超声“有一种方法可以使其开始接近植入技术的水平”。

例如，电极植入物已经可以在许多方向上解码手臂的预期运动，而不仅仅是左右方向。但是有些患者可能更喜欢将假肢连接到计算机而不会穿透大脑的假肢。“这是如此个人化，” Shenoy说。“患者需要选择。”

马克斯·普朗克神经生物学研究所的神经科学家埃米莉·麦克埃补充说，由于血流信号比电信号要慢得多，因此速度是功能超声的固有限制。Macé指出，研究人员需要大约2秒钟的数据来解码猴子的运动计划，Macé曾在法国生物医学研究机构INSERM的物理学家Mickael Tanter实验室中开发了超声波技术，该实验室的合著者新研究。她说，但是超声波仍然可以引导机械臂，只要计算机可以根据用户的提示快速指示机械臂的精细运动。

Macé预计该技术将在未来进行许多改进，包括通过对3D的组织块而不是平面进行成像来收集更多信息。“这项技术绝对还没有充分发挥其潜力。”

这种技术的发明，或许可以有效协助残疾人控制他们的躯体，帮助他们更加正常地活着，让所有人都能够以正常的姿态活下去。