超声芯片革新脑机接口：向无创植入更进一步

机器之心报道

编辑：rome rome

Forest Neurotech 和 Butterfly Network 合作构建了一种能够实现「亚毫米精度」操作的脑机接口，相比于传统的电信号，它将使用超声波来刺激和记录大脑活动。

2023 年，脑机接口（BCI）技术仍然经历了快速发展的一年。

目前已经有一些成果能够解码脑信号来控制外部设备，同时也有成果能够通过外部设备改变脑信号。一些 BCI 开发公司，比如 Neuralink、Paradromics 和 Synchron，都迎来了进入人体临床试验阶段的希望。

今年 5 月，Neuralink 获得了美国食品和药物监管局（FDA）的人体临床试验批准。9 月份，Neuralink 宣布首次进行脑机接口人体实验，相关动态收获了大量关注。彭博社后续报道称，Neuralink 计划明年对临床志愿者进行 11 台植入脑机接口设备的手术。

2022 年 12 月，马斯克在 Neuralink 的发布会上展示了一只可以「意念打字」的实验猴。

但最近，来自 Forest Neurotech 和 Butterfly Network 的研究者宣布，他们正在合作开发一种完全不同介质的脑机接口设备：超声波。

今年 10 月，Forest Neurotech 和 Butterfly Network 两家公司宣布共同投资 2000 万美元，以推动基于超声波的脑机接口的研究。Forest Neurotech 将获得来自 Butterfly Network 的超声波芯片的技术许可，旨在开发一种微创的超声波 BCI 设备，供学术研究使用。

大多数 BCI 系统一般采用电信号作为测量脑部活动的介质，有些电信号还被用来刺激大脑。Forest 发布的设备将采用超声波与大脑进行交互，而不是常用的电信号。

这项成果的底层思路基于以下原理：直射的聚焦超声（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。通过多普勒效应测量局部血流的变化，超声波还可以用于估算大脑区域内的神经活动，也就是功能超声成像（fUSI）。

犹他阵列是一种传统的植入式脑机接口，可能引起大脑内部出现强烈的排异反应

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实现「亚毫米精度」的操作的脑机接口，当植入用户的颅骨时，它将使用超声波来刺激和记录大脑的活动。

为什么选择超声波作为 BCI 的介质？相较于其他神经刺激和成像技术，在神经刺激方面，聚焦超声可以灵活地从颅骨外部对大脑特定区域进行定点操作，而电信号刺激的空间范围较为有限。想要使用电流刺激大脑的深层区域，需要进行开颅手术，将电极置于相关部位附近。除了在深度植入电极之外，还可以在头皮上贴放电极记录脑中的电信号，但这种方法只能记录靠近表面的大脑区域的活动。虽然超声波还无法穿透颅骨，记录深层的神经活动，但已经可以通过移除一部分颅骨并将设备放置在大脑表面来实现这一点。

由 Butterfly 开发的超声波硬件将大型临床超声系统的音频生成、控制和记录功能集成到一个芯片大小的设备上。Forest 计划基于这些超声波芯片，利用定向的集中超声波来刺激大脑，并使用 fUSI 测量神经活动。

Butterfly Network 的超声波芯片示意图，源自 https://www.youtube.com/watch?v=B1g-qvH9RgY

fUSI 是一种通过测量血液的变化以估计神经活动变化的技术。和所有细胞一样，神经元也需要血液供给。神经活动增加时，血流量也将增加。fUSI 技术的原理是向神经元活跃的脑区发射超声波，并记录反弹回来的波，通过这种方式来测量血流量。当声波从流动的血液反射回来时，返回的声波的振动频率与发射时的声波不同。fUSI 技术根据多普勒频移现象来估计血流的变化，从而间接估测神经元的电化学反应。

Forest Neurotech 的顾问，加州理工学院教授 Mikhail Shapiro 表示：「利用功能性超声波生成观察神经活动的血液图像，这种方法的效果非常好，甚至超出了它刚提出时所有人的预期。」

超声波既可以记录神经活动，也可以控制神经活动。虽然超声波可以控制神经活动这一点至少在 20 世纪 50 年代就已经为人所知，但科学家们仍然不确定超声波是如何促使神经元放电的。最近，科学家们在一项使用超声波分离啮齿类动物的脑组织的实验中取得了新进展。实验表明，高频声波打开似乎打开了特定的钙离子通道，但其中确切的发生机制仍然是未解之谜。

为了同时进行 BCI 刺激和记录，Forest 开发的系统需要在用户头骨中植入多个 Butterfly 超声波芯片。虽然超声波刺激可以有效穿透骨骼，但 FUSI 记录技术还无法完全做到这一点。当声音穿过头骨时，会被削弱，加上输出和返回时的衰减，这导致完全无创的超声波记录系统无法实现。因此，Forest 计划将传感器放入头骨内，与覆盖大脑的保护膜硬脑膜表面齐平。

Forest Neurotech 和 Butterfly Network 的合作是 Butterfly Network「蝴蝶花园」计划的一部分。该计划旨在为医疗设备团队提供技术支持。Butterfly Network 成立于 2011 年，是一家创新的数字医疗公司，使命是让优质的医学影像人人易得，使超声波成像变得价格亲民、易于操作、全球可访问并具备智能连接功能。

Forest Neurotech 是非营利组织 Convergent Research 的一部分，相较于临床设备的制造和营销，他们只专注于技术开发。「在我们这个非营利行研究机构的生命周期内，我们没有向美国食品及药物管理局提交申请的计划。」Forest Neurotech 首席技术官 Biederman 表示道，「我们正努力推动超声波脑机接口这项技术，以及基础科学的新发现。」一旦这项技术取得更新的进展，Forest 将向学术界和其他工业研究机构提供该技术，以推动产品开发和科技进步。

参考内容：

https://spectrum.ieee.org/bci-ultrasound

https://www.youtube.com/watch?v=B1g-qvH9RgY

https://www.convergentresearch.org/

https://www.butterflynetwork.com/int/en-hk/iq

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