这是超声成像首次在医院外用于对患者进行脑部成像，患者在进行视频游戏和弹吉他等任务时也进行脑部成像。加州理工学院领导的概念验证研究使用颅骨假体，为超声波提供一个可以不受阻碍地通过的大脑窗口，为更好地了解大脑、改进脑部疾病诊断以及建立大脑与计算机之间直接接口的可能性打开了大门，例如，患者可以仅凭自己的思想和意图来控制计算机屏幕上的光标。

这项研究发表在 5 月 29 日的《科学转化医学》杂志上。

阻碍深入理解大脑以及大脑与机械臂和计算机等外部设备直接交互的障碍非常高。无论如何衡量，大脑都是一个极其紧凑的机器。由于大脑在分配给它的立方厘米空间内完成如此多的任务，因此需要精密仪器来实现必要的灵敏度和分辨率，以了解大脑正在做什么。在动物模型中，存在在大脑小区域内实现这些的技术。然而，在更大规模上实现这一壮举具有挑战性，主要是因为人类大脑的骨质外壳——头骨。

八年来，马克斯·德尔布吕克化学工程和医学工程教授、霍华德·休斯医学研究所研究员米哈伊尔·夏皮罗一直与詹姆斯·G·博斯韦尔神经科学教授、T&C Chen 脑机接口中心主任兼领导主席理查德·安德森以及巴黎国家健康与医学研究院的研究人员合作，率先将功能性超声成像用作脑机接口。

诊断性超声的工作原理有点像海豚或蝙蝠使用的回声定位。高频声音被发射出来，在遇到的物质（包括软组织和血液）之间的边界上反弹。更进一步的是，一种称为功能性超声成像的技术使用高帧率成像和计算机算法来对大脑中的血容量变化进行成像。当大脑的神经元活跃时，它们会使用通过血流提供的代谢资源。通过测量血容量的变化，研究人员可以推断出大脑活动何时何地发生变化。

2021 年和2023年，安德森和夏皮罗的团队发表了对非人类灵长类动物进行的研究，该研究表明，大脑超声波数据可以成功解码，以指示大脑中形成的意图，甚至在执行与该意图相对应的动作之前。

现在他们已经证明，成年人在自然环境中，即手术室外，也可以实现这一点。

为了获得这些精确的大脑活动超声波读数，必须移除颅骨的一部分，并用超声波信号可以通过的“窗口”替换。进行这种手术的志愿者并不多，这并不令人意外，但事实上，许多人必须移除颅骨的一部分（即所谓的开颅术）以减轻严重脑外伤后的压力。

“创伤性脑损伤会导致大脑肿胀。如果我们移除部分头骨，让大脑膨胀，然后逐渐恢复到正常大小，我们就能大大改善患者的治疗效果，”加州大学洛杉矶分校-加州理工学院医学科学家培训计划的医学生、新论文的合著者惠特尼·格里格斯（Whitney Griggs，博士，23 年）解释说。

最终，大脑需要更换其保护层。“如果骨头没有因受伤而受到太大的损坏，则可以更换，”格里格斯说。“但这通常是不可能的，神经外科医生必须使用其他材料，例如钛网或定制的颅骨植入物。”

克莱尔·拉布特 (Claire Rabut) 曾是夏皮罗实验室的博士后，目前是加州理工学院化学工程访问学者，她对颅骨植入物所用的材料进行了实验，发现聚甲基丙烯酸酯 (polymethyl acryl) 因其无菌性和强度而备受青睐，而且对超声波所依赖的声学信号也是透明的。萨姆纳·诺曼 (Sumner Norman) 也曾是安德森和夏皮罗实验室的博士后，他与拉布特合作发明了一种植入物，据诺曼说，“这种植入物不仅是一种安全、美观的透明假体，而且透明度足够高，超声波可以达到功能性大脑成像所需的高灵敏度。”

最终的植入物整体厚度为 4 毫米，但有一个 2 毫米厚的窗口，超声波传感器可以通过该窗口对大脑后顶叶皮层及其后方的运动皮层进行成像。“大脑的这个区域对于形成意图和执行运动动作非常重要，我们实验室已经通过其他方法对其进行了彻底研究，”安德森说。“利用超声波，我们可以以五分之一毫米的分辨率对大脑进行成像。”

该团队与南加州大学神经外科医生、加州理工学院生物学和生物工程客座教授查尔斯·刘 (Charles Liu) 合作，确定了脑损伤需要颅脑植入且超声成像不会带来任何额外风险的患者。手术恢复后，选定的患者被要求执行一些简单的任务，同时对其大脑进行超声扫描。“就像非人类灵长类动物的情况一样，患者的超声数据显示了意图——移动这个操纵杆，弹奏这把吉他——而动作本身也在进行中，”刘说。

超声波并不是第一个用于大脑成像的技术，但它与其他成像方法（如功能性磁共振成像）相比具有多项优势。“如果你曾经做过核磁共振成像，你就会知道它又大又响，而且在扫描过程中你必须一动不动地躺在管子里，”拉布特说。“相比之下，超声波便于携带，而且相对较小。你有一个手持式探头，可能只需花费几千美元，而购买核磁共振成像仪则需要花费数百万美元。更重要的是，出于研究目的，你无法通过核磁共振成像观察坐着、清醒和做非常活跃的事情的患者的大脑活动。使用超声波，你可以在正常的现实生活中研究大脑活动。”

更换颅骨的一部分比用于监测大脑活动的其他一些技术侵入性更小。“放置颅骨植入物的手术是在硬脑膜（保护大脑的坚固组织膜）上进行的，”拉布特解释说。“感染风险非常小。相比之下，如果你在大脑中植入电极，你就是在对大脑本身进行手术。不仅如此，这些电极只能监测少数神经元。使用超声波，我们可以对更广阔的区域进行成像。”（然而，微电极阵列具有更高的时间分辨率，可以记录单个神经元群，因此这两种技术在脑机接口方面各有利弊。）

“许多干预措施都需要切除部分颅骨，”夏皮罗说。“因此，许多患者可能受益于一种对超声波使用的声学信号透明的颅骨植入物。”

这篇论文的标题是“通过声学透明颅骨假体对成人神经活动进行功能性超声成像”。合著者包括加州理工学院的 Rabut、Norman、Griggs、Andersen 和 Shapiro；南加州大学的 Liu 和 Jonathan Russin；加州大学河滨分校的 Vasileios Christopoulos 和加州理工学院生物学和生物工程客座研究员。这项工作得到了美国国立卫生研究院、T&C Chen 脑机接口中心、博斯韦尔基金会、美国国家眼科研究所、Josephine de Karman 奖学金、加州大学洛杉矶分校-加州理工学院医学科学家培训计划、Della Martin 博士后奖学金、人类前沿科学计划跨学科奖学金、霍华德休斯医学研究所和南加州大学神经修复中心的支持。

原文链接：https://www.caltech.edu/about/news/window-into-the-brain