2023 年，腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)仍然經(jīng)歷了快速發(fā)展的一年。

目前已經(jīng)有一些成果能夠解碼腦信號(hào)來控制外部設(shè)備，同時(shí)也有成果能夠通過外部設(shè)備改變腦信號(hào)。一些 BCI 開發(fā)公司，比如 Neuralink、Paradromics 和 Synchron，都迎來了進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)階段的希望。

今年 5 月，Neuralink 獲得了美國(guó)食品和藥物監(jiān)管局（FDA）的人體臨床試驗(yàn)批準(zhǔn)。9 月份，Neuralink 宣布首次進(jìn)行腦機(jī)接口人體實(shí)驗(yàn)，相關(guān)動(dòng)態(tài)收獲了大量關(guān)注。彭博社后續(xù)報(bào)道稱，Neuralink 計(jì)劃明年對(duì)臨床志愿者進(jìn)行 11 臺(tái)植入腦機(jī)接口設(shè)備的手術(shù)。

2022 年 12 月，馬斯克在 Neuralink 的發(fā)布會(huì)上展示了一只可以「意念打字」的實(shí)驗(yàn)猴。

但最近，來自 Forest Neurotech 和 Butterfly Network 的研究者宣布，他們正在合作開發(fā)一種完全不同介質(zhì)的腦機(jī)接口設(shè)備：超聲波。

今年 10 月，F(xiàn)orest Neurotech 和 Butterfly Network 兩家公司宣布共同投資 2000 萬美元，以推動(dòng)基于超聲波的腦機(jī)接口的研究。Forest Neurotech 將獲得來自 Butterfly Network 的超聲波芯片的技術(shù)許可，旨在開發(fā)一種微創(chuàng)的超聲波 BCI 設(shè)備，供學(xué)術(shù)研究使用。

大多數(shù) BCI 系統(tǒng)一般采用電信號(hào)作為測(cè)量腦部活動(dòng)的介質(zhì)，有些電信號(hào)還被用來刺激大腦。Forest 發(fā)布的設(shè)備將采用超聲波與大腦進(jìn)行交互，而不是常用的電信號(hào)。

這項(xiàng)成果的底層思路基于以下原理：直射的聚焦超聲（FUS）可以改變神經(jīng)元的動(dòng)作電位，即腦細(xì)胞用來相互交流的離子電流。通過多普勒效應(yīng)測(cè)量局部血流的變化，超聲波還可以用于估算大腦區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)，也就是功能超聲成像（fUSI）。

猶他陣列是一種傳統(tǒng)的植入式腦機(jī)接口，可能引起大腦內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)烈的排異反應(yīng)

Forest Neurotech 首席技術(shù)官 William Biederman 表示，Butterfly 的技術(shù)將使他的團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建一種實(shí)現(xiàn)「亞毫米精度」的操作的腦機(jī)接口，當(dāng)植入用戶的顱骨時(shí)，它將使用超聲波來刺激和記錄大腦的活動(dòng)。

為什么選擇超聲波作為 BCI 的介質(zhì)？相較于其他神經(jīng)刺激和成像技術(shù)，在神經(jīng)刺激方面，聚焦超聲可以靈活地從顱骨外部對(duì)大腦特定區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)操作，而電信號(hào)刺激的空間范圍較為有限。想要使用電流刺激大腦的深層區(qū)域，需要進(jìn)行開顱手術(shù)，將電極置于相關(guān)部位附近。除了在深度植入電極之外，還可以在頭皮上貼放電極記錄腦中的電信號(hào)，但這種方法只能記錄靠近表面的大腦區(qū)域的活動(dòng)。雖然超聲波還無法穿透顱骨，記錄深層的神經(jīng)活動(dòng)，但已經(jīng)可以通過移除一部分顱骨并將設(shè)備放置在大腦表面來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

由 Butterfly 開發(fā)的超聲波硬件將大型臨床超聲系統(tǒng)的音頻生成、控制和記錄功能集成到一個(gè)芯片大小的設(shè)備上。Forest 計(jì)劃基于這些超聲波芯片，利用定向的集中超聲波來刺激大腦，并使用 fUSI 測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)。

Butterfly Network 的超聲波芯片示意圖，源自 https://www.youtube.com/watch?v=B1g-qvH9RgY

fUSI 是一種通過測(cè)量血液的變化以估計(jì)神經(jīng)活動(dòng)變化的技術(shù)。和所有細(xì)胞一樣，神經(jīng)元也需要血液供給。神經(jīng)活動(dòng)增加時(shí)，血流量也將增加。fUSI 技術(shù)的原理是向神經(jīng)元活躍的腦區(qū)發(fā)射超聲波，并記錄反彈回來的波，通過這種方式來測(cè)量血流量。當(dāng)聲波從流動(dòng)的血液反射回來時(shí)，返回的聲波的振動(dòng)頻率與發(fā)射時(shí)的聲波不同。fUSI 技術(shù)根據(jù)多普勒頻移現(xiàn)象來估計(jì)血流的變化，從而間接估測(cè)神經(jīng)元的電化學(xué)反應(yīng)。

Forest Neurotech 的顧問，加州理工學(xué)院教授 Mikhail Shapiro 表示：「利用功能性超聲波生成觀察神經(jīng)活動(dòng)的血液圖像，這種方法的效果非常好，甚至超出了它剛提出時(shí)所有人的預(yù)期。」

超聲波既可以記錄神經(jīng)活動(dòng)，也可以控制神經(jīng)活動(dòng)。雖然超聲波可以控制神經(jīng)活動(dòng)這一點(diǎn)至少在 20 世紀(jì) 50 年代就已經(jīng)為人所知，但科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定超聲波是如何促使神經(jīng)元放電的。最近，科學(xué)家們?cè)谝豁?xiàng)使用超聲波分離嚙齒類動(dòng)物的腦組織的實(shí)驗(yàn)中取得了新進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)表明，高頻聲波打開似乎打開了特定的鈣離子通道，但其中確切的發(fā)生機(jī)制仍然是未解之謎。

為了同時(shí)進(jìn)行 BCI 刺激和記錄，F(xiàn)orest 開發(fā)的系統(tǒng)需要在用戶頭骨中植入多個(gè) Butterfly 超聲波芯片。雖然超聲波刺激可以有效穿透骨骼，但 FUSI 記錄技術(shù)還無法完全做到這一點(diǎn)。當(dāng)聲音穿過頭骨時(shí)，會(huì)被削弱，加上輸出和返回時(shí)的衰減，這導(dǎo)致完全無創(chuàng)的超聲波記錄系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。因此，F(xiàn)orest 計(jì)劃將傳感器放入頭骨內(nèi)，與覆蓋大腦的保護(hù)膜硬腦膜表面齊平。

Forest Neurotech 和 Butterfly Network 的合作是 Butterfly Network「蝴蝶花園」計(jì)劃的一部分。該計(jì)劃旨在為醫(yī)療設(shè)備團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持。Butterfly Network 成立于 2011 年，是一家創(chuàng)新的數(shù)字醫(yī)療公司，使命是讓優(yōu)質(zhì)的醫(yī)學(xué)影像人人易得，使超聲波成像變得價(jià)格親民、易于操作、全球可訪問并具備智能連接功能。

Forest Neurotech 是非營(yíng)利組織 Convergent Research 的一部分，相較于臨床設(shè)備的制造和營(yíng)銷，他們只專注于技術(shù)開發(fā)。「在我們這個(gè)非營(yíng)利行研究機(jī)構(gòu)的生命周期內(nèi)，我們沒有向美國(guó)食品及藥物管理局提交申請(qǐng)的計(jì)劃。」Forest Neurotech 首席技術(shù)官 Biederman 表示道，「我們正努力推動(dòng)超聲波腦機(jī)接口這項(xiàng)技術(shù)，以及基礎(chǔ)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。」一旦這項(xiàng)技術(shù)取得更新的進(jìn)展，F(xiàn)orest 將向?qū)W術(shù)界和其他工業(yè)研究機(jī)構(gòu)提供該技術(shù)，以推動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)和科技進(jìn)步。