近期，頂級學術期刊《Nature》子刊《自然·神經科學》最新一期公布了一份研究成果：美國加州理工學院研究團隊基于腦機接口（BMI），開發了一種功能性超聲（fUS）神經影像新興技術，通過在兩只恒河猴上進行實驗測試，最終發現，fUS技術可以成為“在線”BMI基礎——它可以讀取大腦活動，通過用機器學習編程的解碼器破譯其含義，從而控制一臺延時極短、可準確預測運動的計算機。

這一研究發現為確認超聲腦機接口技術的可行性，以及新型微創（硬膜外）腦機接口技術發展提供重要指引依據。

本論文作者、美國加州理工學院神經科學教授、天橋腦科學研究院（TCCI）腦機接口中心主任Richard Andersen教授表示，fUS是一種全新的模式，它提供了比大腦植入物侵入性更小、有吸引力的選擇方案，并且不需要持續重新校準，從而可添加到腦機接口方案中，幫助更多癱瘓患者恢復神經損傷。

據悉，TCCI是由盛大集團創始人陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元創建的支持人類腦科學研究的科研機構。據官網消息稱，陳天橋夫婦曾捐贈1.15億美元資助加州理工學院的神經科學研究所。本研究是在該研究所Richard Andersen實驗室進行的，同時還獲得TCCI腦機接口中心和美國國立衛生研究院等機構的資金支持。

“這項技術是作為一項真正的協作努力而開發的，無法僅靠一個實驗室來完成。”Richard Andersen表示。

《科技日報》對此發表評論文章稱，“帶有濃濃科幻色彩的腦機接口技術，正在走進現實。不過從目前來看，這項技術仍處于起步階段，存在諸多不足。而與腦機接口相關的腦科學、電子信息技術、材料學等領域的科研進展，將不斷助推這項技術迭代升級。”

據悉，腦機接口（Brain-Machine Interface，BMI，也稱BCI）是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接，實現腦與設備的信息交換。具體來說，腦機接口技術可分為非侵入式、半侵入式以及侵入式三種。

清華大學醫學院長聘教授高小榕表示，腦機接口是很多學科交叉而形成的一個科學領域。它是個硬核科技，并非其他領域研究的技術延伸，而是一個重要的技術匯聚。他認為，腦機接口未來將是一個不可或缺的前沿技術。

隨著特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）成立Neuralink，對腦機接口技術持續投入，進一步讓它變得炙手可熱，倍受社會關注。目前，腦機接口技術已能夠完成單詞拼寫，設備控制，游戲交互等功能，以及豬、猴子這類動物性實驗，而且腦機芯片、腦電采集平臺、產品和應用、醫療機構等產業鏈上下游均有企業布局。

然而，當前腦機接口技術并不完美。隨著腦機接口可以使慢性癱瘓患者能夠僅用思想來控制計算機、機器人等，但現有的腦機接口技術在侵入性、性能、空間覆蓋等方面需要權衡。比如，侵入式腦機接口往往對使用者身體帶來損傷，甚至容易在創口引起炎癥反應；非侵入式的腦機接口需要佩戴笨重的頭盔，體驗感有待改進等。此外，每天使用腦機接口設備之前，患者和醫生還需要共同重新校準計算設備高達15分鐘以上。

為了解決這些問題，2021年，加州理工學院Richard Andersen教授團隊就開發了一種新的、侵入性小得多的讀取大腦活動方法：功能性超聲（fUS）神經影像技術。其技術工作原理是發射高頻聲音脈沖，然后測量這些聲音振動在物質（如人體的各種組織）中的回聲，然后聲波以不同類型、不同速度傳播，并在它們之間的邊界反射。此前，該技術通常被用于拍攝孕婦子宮內胎兒及其他診斷圖像。

這次，Richard Andersen教授團隊以“使用閉環超聲腦機接口解碼運動計劃”為題，將fUS技術在腦機接口領域的研究和實驗過程信息發表在頂級學術期刊《自然·神經科學》雜志中。

首先，論文中提到，fUS是一種平衡且補充現有的腦機接口技術瓶頸的技術。而研究人員使用超聲波來測量流向特定大腦區域的血流的變化。他們可以記錄大腦血液流動的微小變化，空間區域只有100微米寬，大約為一根頭發那么寬。他們能夠同時測量廣泛分布在整個大腦中的微小神經細胞群的活動，其中一些小到只有60個神經元。

其次，論文中指出，為了表明這一方法可成功實施，實驗團隊進行了一場恒河猴身上的腦機接口動物實驗。通過在兩只恒河猴進行眼睛和手部運動時的后頂葉皮層傳輸fUS數據，來測量非人靈長類動物頂葉后皮質（PPC）的大腦活動——規劃并幫助執行運動。實驗期間，研究人員訓練恒河猴，并且使得實驗動物被教會了兩項任務：移動手來引導屏幕上的光標，移動眼睛看屏幕的特定部分。它們只需要考慮執行任務，而不是實際移動眼睛或手，因為腦機接口可以讀取它們的大腦活動。

最后，超聲波數據被實時發送到解碼器，然后生成控制信號，將光標移動到希望的地方。最終完成訓練后的實驗猴子，可以使用計算機控制多達八個運動（徑向目標）方向，控制平均誤差小于40度。同時，團隊還開發了一種預訓練數據的腦機接口方法，使得猴子可以實時對計算機進行控制和反饋。

在恒河猴實驗中植入fUS技術的整個過程（圖片來源：論文）

本論文第一作者、加州理工學院博士后客座研究員薩姆納·諾曼（Sumner L. Norman）表示，相對于功能磁共振成像（fMRI）、腦電圖（EEG）等其他技術來說，fUS技術方案可以更好定位深部大腦功能，實現腦機接口的最佳反饋。此外，Norman還是神經科學公司Forest Neurotech聯合創始人、CEO。

本論文作者、加州理工學院化學與醫學工程系教授Mikhail Shapiro表示，“我記得二十年前當這種預測解碼與電極一起使用時是多么令人印象深刻，而現在，看到它與超聲波等侵入性小得多的方法一起使用時，真是令人驚奇。”

另外，除了加州理工學院團隊外，法國巴黎INSERM醫學物理Mickael Tanter實驗室團隊也參與了該研究過程。

值得注意的是，本研究還由T&C Chen腦機接口中心資助、Richard Andersen實驗室中進行的。

據悉，天橋腦科學研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）成立于2016年，是由陳天橋、雒芊芊夫婦私人出資10億美元創建的，旨在聚焦AI＋腦科學，支持、推進全球范圍內腦科學研究，造福全人類，目前已經成為知名的支持人類腦科學研究的科研機構。2022年12月，耗資2.4億美元、占地15萬平方英尺的全新加州理工學院天橋神經科學研究大樓 (CNRB）建成。

與此同時，TCCI還重點投入于中國本土科研，TCCI一期投入5億元人民幣支持中國的腦科學研究，與上海周良輔醫學發展基金會合作成立上海陳天橋腦健康研究所（又名TCCI轉化中心），致力于提升腦健康和腦疾病治療研究和成果轉化。后又與華山醫院、上海市精神衛生中心等建立戰略合作，設立了應用神經技術前沿實驗室、人工智能與精神健康前沿實驗室。

在國際上，TCCI與加州理工學院合作成立TCCI加州理工研究院，設腦機接口、社交與決策神經科學、系統神經科學、分子與細胞神經科學、大腦成像、神經科學教育等多個中心，重點關注大腦基礎研究。TCCI還在北美、亞洲、歐洲、大洋洲主辦、資助了200多場高質量的學術會議。

盛大網絡創始人、天橋腦科學研究院創始人陳天橋曾對鈦媒體App表示，TCCI不介入科研研究，只是資助身份，讓科學家放開手腳去做一些很重磅的研究課題，只要最終能夠落地，對人類有貢獻，有幫助，足矣。將“不計成本”的支持科學家開放研究。

“我們TCCI搜遍世界上的科學家和實驗室，通過5~10個實驗室，建立早期的技術模型，不但要資助，而且要將最具潛力、前途的科學家挖進我們的實驗室，給他們學術自由、給他們資金，讓這些科學家發揮才能，能夠做出一個非侵入式的，為人類造福的腦科學技術解決方案。”陳天橋表示。

據了解，未來，Richard Andersen團隊還計劃研究基于超聲技術的腦機接口技術如何在人體中發揮作用，并進一步開發fUS技術，從而實現三維成像以提高準確性。

審核編輯：黃飛