2023 年，腦機接口（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來控制外部設(shè)備，同時也有成果能夠通過外部設(shè)備改變腦信號。一些 BCI 開發(fā)公司，比如 Neuralink、Paradromics 和 Synchron，都迎來了進入人體臨床試驗階段的希望。

今年 5 月，Neuralink 獲得了美國食品和藥物監(jiān)管局（FDA）的人體臨床試驗批準。9 月份，Neuralink 宣布首次進行腦機接口人體實驗，相關(guān)動態(tài)收獲了大量關(guān)注。彭博社后續(xù)報道稱，Neuralink 計劃明年對臨床志愿者進行 11 臺植入腦機接口設(shè)備的手術(shù)。

2022 年 12 月，馬斯克在 Neuralink 的發(fā)布會上展示了一只可以「意念打字」的實驗猴。

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，以推動基于超聲波的腦機接口的研究。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，供學術(shù)研究使用。

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

這項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)元的動作電位，即腦細胞用來相互交流的離子電流。通過多普勒效應(yīng)測量局部血流的變化，超聲波還可以用于估算大腦區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)活動，也就是功能超聲成像（fUSI）。

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

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

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大腦特定區(qū)域進行定點操作，而電信號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，但這種方法只能記錄靠近表面的大腦區(qū)域的活動。雖然超聲波還無法穿透顱骨，記錄深層的神經(jīng)活動，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現(xiàn)這一點。

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芯片大小的設(shè)備上。Forest 計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 測量神經(jīng)活動。

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

fUSI 是一種通過測量血液的變化以估計神經(jīng)活動變化的技術(shù)。和所有細胞一樣，神經(jīng)元也需要血液供給。神經(jīng)活動增加時，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，通過這種方式來測量血流量。當聲波從流動的血液反射回來時，返回的聲波的振動頻率與發(fā)射時的聲波不同。fUSI 技術(shù)根據(jù)多普勒頻移現(xiàn)象來估計血流的變化，從而間接估測神經(jīng)元的電化學反應(yīng)。

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

超聲波既可以記錄神經(jīng)活動，也可以控制神經(jīng)活動。雖然超聲波可以控制神經(jīng)活動這一點至少在 20 世紀 50 年代就已經(jīng)為人所知，但科學家們?nèi)匀徊淮_定超聲波是如何促使神經(jīng)元放電的。最近，科學家們在一項使用超聲波分離嚙齒類動物的腦組織的實驗中取得了新進展。實驗表明，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)生機制仍然是未解之謎。

為了同時進行 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 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。當聲音穿過頭骨時，會被削弱，加上輸出和返回時的衰減，這導致完全無創(chuàng)的超聲波記錄系統(tǒng)無法實現(xiàn)。因此，F(xiàn)orest 計劃將傳感器放入頭骨內(nèi)，與覆蓋大腦的保護膜硬腦膜表面齊平。

Forest Neurotech 和 Butterfly Network 的合作是 Butterfly Network「蝴蝶花園」計劃的一部分。該計劃旨在為醫(yī)療設(shè)備團隊提供技術(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)學影像人人易得，使超聲波成像變得價格親民、易于操作、全球可訪問并具備智能連接功能。

Forest Neurotech 是非營利組織 Convergent Research 的一部分，相較于臨床設(shè)備的制造和營銷，他們只專注于技術(shù)開發(fā)?！冈谖覀冞@個非營利行研究機構(gòu)的生命周期內(nèi)，我們沒有向美國食品及藥物管理局提交申請的計劃?！笷orest Neurotech 首席技術(shù)官 Biederman 表示道，「我們正努力推動超聲波腦機接口這項技術(shù)，以及基礎(chǔ)科學的新發(fā)現(xiàn)?！挂坏┻@項技術(shù)取得更新的進展，F(xiàn)orest 將向?qū)W術(shù)界和其他工業(yè)研究機構(gòu)提供該技術(shù)，以推動產(chǎn)品開發(fā)和科技進步。