为什么在脑机接口中使用超声波？

2023年是脑机接口（BCI）技术发展的一年：可以解码大脑信号并使用它们控制外部设备，或使用设备改变大脑信号。脑机接口开发商Neuralink、Paradromics和Synchron都在临床试验过程中达到了重要的里程碑，每一个都使全植入式脑机接口更接近美国的临床现实。这些公司正在开发与大脑电交互的脑机接口，但最近宣布的一项研究合作正在开发一种使用完全不同介质的脑机界面：超声波。

10月，Forest Neurotech和Butterfly Network公司宣布了一项2000万美元的联合研究，以开发基于超声波的脑机接口。Forest Neurotech将授权Butterfly Network的紧凑型超声波芯片技术开发一种用于学术和研究环境的微创超声脑机接口设备。

大多数脑机接口系统通过读取电信号来测量大脑活动，有些还通过电刺激大脑。Forest提出的设备将使用高频声波与大脑接口。指导这种方法的科学原理不同寻常，但很简单：直接聚焦超声波（FUS）可以改变神经元的动作电位，即脑细胞用来相互交流的离子电流。超声波还可以通过多普勒效应测量局部血流变化来估计大脑区域内的神经活动；该技术被称为功能超声成像（fUSI）。

Forest Neurotech首席技术官William Biederman表示，Butterfly的技术将使他的团队能够构建一种脑机接口，当植入用户的头骨时，将使用超声波“以亚毫米的精度”刺激和记录大脑。

为什么在脑机接口中使用超声波？

与其他神经刺激和成像技术相比，超声波具有一定的优势。对于刺激，聚焦超声波可以从头骨外灵活地靶向整个大脑的特定区域。相比之下，电刺激技术在空间上更为有限，因为电在脑组织中传播的距离不远，因此电刺激大脑深处需要在相关部位附近放置电极的侵入性外科手术。从大脑进行电记录需要在头皮上植入深层植入物或电极，这些电极只能记录靠近表面的大脑区域的活动。通过超声波记录深层神经活动不能通过头骨完成，但可以通过移除一块头骨并将设备放置在大脑表面来完成。

Butterfly的超声硬件将大型临床超声系统的音频生成、控制和记录功能放在一个芯片大小的设备上。Forest计划使用这些超声波芯片通过定向和聚焦的超声波刺激大脑区域，并通过fUSI测量神经活动。

fUSI技术通过测量血流的变化来估计神经活动的变化。神经元和所有细胞一样，需要血液才能发挥作用。神经活动的增加需要血流量的增加，fUSI技术通过将超声波投射到感兴趣的大脑区域并记录反弹的波来测量血流量。当声音从大量流动的血液中反弹时，返回的声波以与发出的声波不同的频率摆动。fUSI利用这种多普勒频移现象来估计血流的变化，并通过代理来估计神经元的电化学颤动。

Forest Neurotech公司顾问、加州理工学院教授Mikhail Shapiro说：“用血流来用功能性超声波对神经活动进行成像效果非常好。它的效果比最初提出这个想法时任何人预期的都要好。”

超声波可以记录和控制神经活动。尽管后一种现象至少从20世纪50年代就已经为人所知，但科学家们仍然不确定FUS为什么会引起神经元放电。最近的实验中，超声波能量被引导到啮齿类动物的孤立脑组织，这向神经科学家表明，特定的钙离子通道似乎被高频声波打开，尽管这种相互作用的确切物理机制仍然是个谜。

为了刺激和记录脑机接口，Forest的系统需要在用户的头骨中植入多个Butterfly超声波芯片。虽然超声刺激通过骨骼是有效的，但fUSI记录技术不是。声音通过头骨时会被抑制，传出和返回的衰减使完全无创的超声波记录系统无法使用。相反，该公司计划将传感器放入头骨，并与覆盖大脑的保护膜硬脑膜表面齐平。

Butterfly Gardens项目，旨在将其技术提供给医疗设备团队。非营利组织Convergent Research旗下的Forest Neurotech专注于技术开发，而不是临床设备的开发和营销。Biederman说：“我们正在努力推动这类技术的基础科学发现和使用。一旦这项技术得到进一步发展，该公司计划将其提供给学术界和工业界的其他研究组织，以进行进一步的产品和科学开发。

审核编辑：黄飞