Neuron：创伤更小！科学家使用功能性超声成像解析运动意图，助力脑机接口发展
随着神经元解码和脑机接口技术的发展，残疾人有希望通过“意念”控制机械臂的活动重获运动功能。
然而皮层植入的记录电极需要承担较高的手术风险和记录覆盖率小的问题；脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）等非侵入性技术则面临空间分辨率低的问题，同时这些成像方法依赖大型仪器。人们仍在不断追求入侵更小，分辨率高，拓展性强的脑机接口元件。
最近，美国加州理工学院的生物与生物工程学系和陈天桥雒芊芊脑机接口中心合作在《Neuron》上在线发表了题为“Single-trial decoding of movement intentions using functional ultrasound neuroimaging”的研究，在这个问题上向前迈进一步。
其团队利用功能性超声（functional ultrasound neuroimaging, fUS)开发了一种新微创脑机接口，其可以可视化血容量的局部变化，同时具有出色的分辨率（100微米），灵敏度（~1 mm/s），和大视场（几厘米），可以绘制大脑深处精确区域的活动。研究人员利用它读出与运动计划相对应的大脑活动，实现运动意图的单次解码，显示了其在脑机接口（BMI）领域的巨大潜能。
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研究人员在恒河猴硬脑膜外植入此元件，并在后顶叶皮质（PPC）（PPC是位于视觉皮层和运动皮层区域之间的关联皮层区域，并参与高级认知功能，包括空间注意力，多感觉整合以及运动意图中感觉到运动的转换）记录脑血容量变化（CBV）。
这些恒河猴被训练按照屏幕提示向指定方向移动目光或者用手推操纵杆，通过记录它们执行运动任务时的CBV，研究人员试图通过解码预测猴子的运动计划。
通过解码，研究人员得到了PPC不同亚区活动在猴子运动意图中的权重，与前人的研究相符。更为重要的是，研究人员使用决策树解码器对（1）任务结构（2）效应器和（3）动物的目标方向的时间过程进行了解码，实现了在单次实验中预测猴子未来运动的方向，以及使用何种效应器（眼睛或手臂）。
此外，这些数据显示在猴子运动准备和执行过程中从PCC解码的信息非常相似，表明该区域编码运动计划，视觉空间注意，或者两者兼有。
最后研究人员假设对解码有用的功能信息主要位于成像平面内的亚分辨率（<100 mm）血管中，于是研究人员对平均多普勒功率排序，发现当使用平均多普勒功率的第三个十分位数的图像区域（主要位于皮层）解码运动方向时，精度达到峰值，证实了这个猜测。这也与此前在啮齿动物和雪貂中的fUS结果一致。
该项研究建立在先前非人类灵长类的运动意图解码中和fUS两项研究的基础上，是使用fUS预测运动计划的首次研究。fUS由于其非侵入的超声特性以及在可以制成头戴式元件，给脑机接口发展提供了很好的选项，研究人员表示目前正在与南加州大学神经外科工作人员合作，寻找头部手术的人类志愿者进一步进行技术研究，人类离未来通过超声波控制机器移动的愿景又近了一步。
原文链接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(21)00151-3#secsectitle0015
编译作者：小鱼干（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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