2023年是腦機接口（BCI）技術發(fā)展的一年：可以解碼大腦信號并使用它們控制外部設備，或使用設備改變大腦信號。腦機接口開發(fā)商Neuralink、Paradromics和Synchron都在臨床試驗過程中達到了重要的里程碑，每一個都使全植入式腦機接口更接近美國的臨床現(xiàn)實。這些公司正在開發(fā)與大腦電交互的腦機接口，但最近宣布的一項研究合作正在開發(fā)一種使用完全不同介質的腦機界面：超聲波。

10月，F(xiàn)orest Neurotech和Butterfly Network公司宣布了一項2000萬美元的聯(lián)合研究，以開發(fā)基于超聲波的腦機接口。Forest Neurotech將授權Butterfly Network的緊湊型超聲波芯片技術開發(fā)一種用于學術和研究環(huán)境的微創(chuàng)超聲腦機接口設備。

大多數(shù)腦機接口系統(tǒng)通過讀取電信號來測量大腦活動，有些還通過電刺激大腦。Forest提出的設備將使用高頻聲波與大腦接口。指導這種方法的科學原理不同尋常，但很簡單：直接聚焦超聲波（FUS）可以改變神經(jīng)元的動作電位，即腦細胞用來相互交流的離子電流。超聲波還可以通過多普勒效應測量局部血流變化來估計大腦區(qū)域內的神經(jīng)活動；該技術被稱為功能超聲成像（fUSI）。

Forest Neurotech首席技術官William Biederman表示，Butterfly的技術將使他的團隊能夠構建一種腦機接口，當植入用戶的頭骨時，將使用超聲波“以亞毫米的精度”刺激和記錄大腦。

為什么在腦機接口中使用超聲波？

與其他神經(jīng)刺激和成像技術相比，超聲波具有一定的優(yōu)勢。對于刺激，聚焦超聲波可以從頭骨外靈活地靶向整個大腦的特定區(qū)域。相比之下，電刺激技術在空間上更為有限，因為電在腦組織中傳播的距離不遠，因此電刺激大腦深處需要在相關部位附近放置電極的侵入性外科手術。從大腦進行電記錄需要在頭皮上植入深層植入物或電極，這些電極只能記錄靠近表面的大腦區(qū)域的活動。通過超聲波記錄深層神經(jīng)活動不能通過頭骨完成，但可以通過移除一塊頭骨并將設備放置在大腦表面來完成。

Butterfly的超聲硬件將大型臨床超聲系統(tǒng)的音頻生成、控制和記錄功能放在一個芯片大小的設備上。Forest計劃使用這些超聲波芯片通過定向和聚焦的超聲波刺激大腦區(qū)域，并通過fUSI測量神經(jīng)活動。

fUSI技術通過測量血流的變化來估計神經(jīng)活動的變化。神經(jīng)元和所有細胞一樣，需要血液才能發(fā)揮作用。神經(jīng)活動的增加需要血流量的增加，fUSI技術通過將超聲波投射到感興趣的大腦區(qū)域并記錄反彈的波來測量血流量。當聲音從大量流動的血液中反彈時，返回的聲波以與發(fā)出的聲波不同的頻率擺動。fUSI利用這種多普勒頻移現(xiàn)象來估計血流的變化，并通過代理來估計神經(jīng)元的電化學顫動。

Forest Neurotech公司顧問、加州理工學院教授Mikhail Shapiro說：“用血流來用功能性超聲波對神經(jīng)活動進行成像效果非常好。它的效果比最初提出這個想法時任何人預期的都要好。”

超聲波可以記錄和控制神經(jīng)活動。盡管后一種現(xiàn)象至少從20世紀50年代就已經(jīng)為人所知，但科學家們仍然不確定FUS為什么會引起神經(jīng)元放電。最近的實驗中，超聲波能量被引導到嚙齒類動物的孤立腦組織，這向神經(jīng)科學家表明，特定的鈣離子通道似乎被高頻聲波打開，盡管這種相互作用的確切物理機制仍然是個謎。

為了刺激和記錄腦機接口，F(xiàn)orest的系統(tǒng)需要在用戶的頭骨中植入多個Butterfly超聲波芯片。雖然超聲刺激通過骨骼是有效的，但fUSI記錄技術不是。聲音通過頭骨時會被抑制，傳出和返回的衰減使完全無創(chuàng)的超聲波記錄系統(tǒng)無法使用。相反，該公司計劃將傳感器放入頭骨，并與覆蓋大腦的保護膜硬腦膜表面齊平。

Butterfly Gardens項目，旨在將其技術提供給醫(yī)療設備團隊。非營利組織Convergent Research旗下的Forest Neurotech專注于技術開發(fā)，而不是臨床設備的開發(fā)和營銷。Biederman說：“我們正在努力推動這類技術的基礎科學發(fā)現(xiàn)和使用。一旦這項技術得到進一步發(fā)展，該公司計劃將其提供給學術界和工業(yè)界的其他研究組織，以進行進一步的產品和科學開發(fā)。