Чтение мыслей с помощью ультразвука: малоинвазивный метод декодирования намерений мозга

Чтение мыслей с помощью ультразвука: малоинвазивный метод декодирования намерений мозга

Чтение мыслей с помощью ультразвука: малоинвазивный метод декодирования намерений мозга

Что происходит в вашем мозгу, когда вы просматриваете эту страницу? Другими словами, какие области вашего мозга активны, какие нейроны с какими взаимодействуют и какие сигналы они посылают вашим мышцам?

Сопоставление нейронной активности с соответствующим поведением является основной целью нейробиологов, разрабатывающих интерфейсы мозг-машина (ИМТ) - устройства, которые считывают и интерпретируют активность мозга и передают инструкции компьютеру или машине. Хотя это может показаться научной фантастикой, существующие ИМТ могут, например, связать парализованного человека с роботизированной рукой - устройство интерпретирует нейронную активность и намерения человека и соответственно перемещает роботизированную руку.

Основным ограничением для развития ИМТ является то, что для считывания нервной активности они требуют инвазивной операции на головном мозге. Но теперь сотрудники Калифорнийского технологического института разработали новый тип минимально инвазивного ИМТ для считывания активности мозга, соответствующей планированию движения. Используя технологию функционального ультразвука (fUS), он может отображать активность в точных областях мозга с разрешением 100 микрометров (размер отдельного нейрона составляет приблизительно 10 микрометров).

«Инвазивные формы интерфейсов мозг-машина уже могут вернуть движение тем, кто потерял его из-за неврологической травмы или болезни», - говорит Самнер Норман, научный сотрудник лаборатории Андерсена и соавтор нового исследования. «К сожалению, лишь немногие пациенты с наиболее тяжелым параличом имеют право и хотят имплантировать электроды в свой мозг. Функциональный ультразвук - невероятно интересный метод регистрации детальной активности мозга без повреждения его тканей. Мы расширили границы ультразвуковой нейровизуализации и были в восторге от того, что она может предсказывать движения. Что самое захватывающее, так это то, что fUS - новая технология с огромным потенциалом - это всего лишь наш первый шаг в обеспечении высокой эффективности и менее инвазивного ИМТ для большего количества людей».

Новое исследование - результат сотрудничества Центра взаимодействия мозга и машины, Института нейробиологии Тяньцяо, Калифорнийского технологического института и Михаила Шапиро, профессора химического машиностроения и исследователя Института медицинских исследований «Наследие». Шапиро является аффилированным преподавателем Института Чэнь.

Вообще все инструменты для измерения активности мозга имеют недостатки. Имплантированные электроды (электрофизиология) могут очень точно измерять активность на уровне отдельных нейронов, но, конечно, требуют имплантации этих электродов в мозг. Неинвазивные методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), могут отображать весь мозг, но требуют громоздкого и дорогостоящего оборудования. Электроэнцефалография (ЭЭГ) не требует хирургического вмешательства, но может измерять активность только с низким пространственным разрешением.

Ультразвук работает, испуская импульсы высокочастотного звука и измеряя, как эти звуковые колебания отражаются в веществе, например, в различных тканях человеческого тела. Звук проходит через эти типы тканей с разной скоростью и отражается на границах между ними. Этот метод обычно используется для получения изображений плода в утробе матери и для другой диагностической визуализации.

Ультразвук также может «слышать» внутренние движения органов. Например, эритроциты, как проезжающая машина скорой помощи, будут увеличивать частоту звука по мере приближения к источнику ультразвуковых волн и уменьшаться по мере их оттока. Измерение этого явления позволило исследователям зафиксировать крошечные изменения кровотока в мозге в масштабе до 100 микрометров (толщины человеческого волоса).

«Когда часть мозга становится более активной, приток крови к этой области увеличивается. Ключевой вопрос в этой работе: можем ли использовать функциональный ультразвук, который даст нам изображения динамики кровотока в головном мозге, с высоким разрешением в пространстве и во времени, достаточно ли информации от этого изображения, чтобы узнать что-нибудь полезное о происходящем?" - говорит Шапиро. "Ответ - да. Этот метод позволил получить подробные изображения динамики нейронных сигналов в нашей целевой области, которые нельзя было увидеть с помощью других неинвазивных методов, таких как фМРТ. Мы достигли уровня детализации, приближающегося к электрофизиологии, но с гораздо менее инвазивной процедурой."

Сотрудничество началось с того, что Шапиро пригласил Микаэля Тантера, пионера в области функционального ультразвука и директора Физики медицины Парижа, провести семинар в Калифорнийском технологическом институте в 2015 году. Василиос Христопулос, бывший подчиненный Андерсена, постдокторант (ныне доцент Калифорнийского университета в Риверсайде) присутствовал на выступлении и предложил сотрудничество. Затем Шапиро, Андерсен и Тантер получили грант NIH BRAIN Initiative на продолжение исследования. Работой в Калтехе руководили Норман, бывший научный сотрудник лаборатории Шапиро Дэвид Мареска (ныне доцент Технологического университета Делфта) и Христопулос. Наряду с Норманом, соавторами нового исследования являются Мареска и Кристопулос.

Технология была отработана на приматах, которых учили выполнять простые задачи - например, движение глазами или руками в определенных направлениях при появлении определенных сигналов. Когда приматы выполняли задания, fUS измерял активность мозга в задней теменной коре (PPC), области мозга, участвующей в планировании движения. Лаборатория Андерсена изучала PPC в течение десятилетий и ранее создавала карты активности мозга в этой области с помощью электрофизиологии. Чтобы подтвердить точность fUS, исследователи сравнили активность изображений мозга, полученную при fUS, с ранее полученными подробными электрофизиологическими данными.

Затем, при поддержке Центра взаимодействия мозга и машины T&C Chen в Калифорнийском технологическом институте, команда выясняла, можно ли использовать зависимые от активности изменения в изображениях fUS для декодирования намерений нечеловеческих приматов даже до того, как они превращались в движение. Затем данные ультразвуковой визуализации и соответствующие задачи обрабатывались алгоритмом машинного обучения, который узнавал, какие модели активности мозга коррелировали с какими задачами. После обучения алгоритм был представлен ультразвуковыми данными, собранными у приматов в режиме реального времени.

Алгоритм за несколько секунд предсказывал, какое поведение будет показывать примат (движение глаз или жест рукой), направление движения (влево или вправо) и когда он планирует сделать это движение.

«Первым шагом было показать, что ультразвук может улавливать сигналы мозга, связанные с мыслью о планировании физического движения», - говорит Мареска, обладающая опытом в области ультразвуковой визуализации. «Функциональная ультразвуковая визуализация позволяет регистрировать эти сигналы с десятикратно большей чувствительностью и лучшим разрешением, чем функциональная МРТ. Это открытие лежит в основе успеха взаимодействия мозга и машины на основе функционального ультразвука».

«В современных интерфейсах мозг-машина с высоким разрешением используются электродные матрицы, которые требуют хирургического вмешательства в головной мозг, включающего вскрытие твердой мозговой оболочки, прочной фиброзной мембраны между черепом и мозгом, и имплантацию электродов непосредственно в мозг. При новом способе твердая мозговая оболочка и мозг неприкосновенны. В череп необходимо имплантировать только небольшое прозрачное для ультразвука окно; эта операция значительно менее инвазивна, чем операция, необходимая для имплантации электродов», - говорит Андерсен.

Хотя это исследование проводилось на приматах, в настоящее время ведется совместная работа с доктором Чарльзом Лю, нейрохирургом из USC, для изучения технологии на людях-добровольцах, у которых из-за черепно-мозговых травм был удален кусок черепа. Поскольку ультразвуковые волны не меняются при прохождении через эти «акустические окна», можно будет изучить, насколько хорошо функциональный ультразвук может измерять и декодировать активность мозга у таких людей.

Оценить статью
(0)