fUS是一种新型的脑功能成像技术，得益于超快速平面波传输和时空滤波技术的进步，使得微血管超声血流信号的灵敏度得到了大幅度增强。目前已经有大量临床前及临床研究表明fUS脑功能成像具有独特的高灵敏性，高时空分辨率，以及高轻便性等特点。想要深入了解fUS，不妨回顾我们往期的文章《自由活动动物深部功能性脑成像的新方法》。
fUS技术在神经环路研究，神经精神疾病模型，神经药理等脑科学领域中已有大量的应用，今天我们要介绍的是fUS技术在十分前沿的脑机接口领域中的一些探索性工作。
脑机接口（Brain-Machine Interface）旨在通过直接读取大脑活动来实现人脑与计算机或机械设备之间的通信和控制。它可以帮助瘫痪患者等失去运动能力的人士，通过思维控制外部设备，从而恢复某种程度的独立性。最常用的脑机接口是用植入式的电极来读取神经元放电，然而该方式以及其它几种现有的方法都存在一些待解决的困难，这些困难很大地限制了脑机接口在人体上的应用。
皮层电生理
• 高风险开颅手术，损伤脑组织
• 植入物随时间推移发生降解，有使用寿命
• 侵入性电极的密度和覆盖范围有限
脑电或fMRI：
• 空间分辨率不足
皮层电图（ECoG)
• 难以解析深层皮层或皮层下结构的信号
由于fUS能够以非侵入的方式获取大范围的脑功能实时影响，同时具有非常独特的高敏感性和轻便性，近年来在脑机接口领域也开始受到关注。它避免了传统植入式电极可能带来的脑组织损伤和神经信号衰减问题，为脑机接口技术的发展开辟了新的道路。
图1. 基于fUS的脑机接口示意图
目前在fUS脑机接口领域已经有多篇论文发表在《Neuron》、《Nature Neuroscience》、《Science Translational Medicine》等顶级学术期刊上。本期专题我们就通过这几篇论文来帮助大家了解fUS脑机接口的发展现状和前景。
01
非人灵长类的fUS脑机接口
美国加州理工学院的生物与生物工程学系，陈天桥雒芊芊脑机接口中心（T&C Chen Brain-Machine Interface Center）主任Richard Andersen教授及其团队长期在非人灵长类上进行fUS的研究。
图2
2021年在Neuron上发表了第一篇相关工作。在这篇文章中他们首次在非人灵长类上实现单次trial fUS信号的解码，并对动物的意图进行预测。
图3 左：fUS设备对后顶叶皮层（PPC）的血流成像和脑功能成像。右：猕猴的行为学范式
猕猴面前的屏幕上会快速地闪现一个点，它需要记住这个点出现的位置，随后通过扫视或拉杆的方式报告这个点的位置，如果报告的位置正确将得到奖励。首先，需要先确认是否可以利用fUS脑功能成像观察到与这个行为高度相关的脑区，其次，这些相关脑区的活动是否可以表征闪现点的不同位置。
图4顶内沟的外侧壁（LIP）存在明显的偏侧化响应
研究结果表明猕猴PPC区域的活动与这个行为任务高度相关，更重要的是PPC中的特定脑区存在明显的位置偏侧化响应，比如上图C显示的这个区域的脑功能信号，在点出现于左边和右边的trial中存在明显差异。尤其值得注意的是，这种脑功能信号的差异出现于动物实际做出扫视和拉杆的动作前。基于以上的观察，研究人员尝试通过解码动物动作前的fUS脑功能信号来预判动物即将报告的方向。
图5.基于单个trial的fUS信号对动物意图和行为进行解码
研究人员根据单个trial的fUS信号对动物的多种行为实现了成功的解码，包括动物是在做任务还是不在做任务，动物用拉杆的方式还是动眼的方式，动物将向左还是向右，这几个维度的行为都可以通过一次trial的fUS信号解码出来，上图B，C显示这几个维度解码的正确率。
这项工作虽然极具创新性，并且也成功证明单次的fUS信号足以用来对动物的多种行为进行解码，但在这里解码过程是在线下进行的，而脑机接口要真正起作用必须能够实现在线的实时解码。Richard Andersen教授及其团队最新的研究成果就实现了这个目标，相关论文在今年1月发表于Nature Neuroscience杂志。
图6
在这篇工作中，作者成功地在猕猴上实现了从fUS信号到实时解码器再到外部设备的closed-loop脑机接口。
图7 fUS-BMI示意图
研究人员将实时fUS图像传输到BMI（brain-machine interface）解码器中，解码器使用主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）来预测动物扫视的方向。猴子的任务和前一篇论文基本一样，但是方向有两种，一种是只有左右两个方向，另一种是有八个方向。
在每天的实验开始前，需要训练实时解码器，方法是在一段实验刚开始时先让猴子自己做这个任务，并收集记忆时间段内的fUS 信号，同时训练针对fUS信号的解码器。在100次成功的trial之后，切换到fus-BMI闭环模式。
在闭环模式中，动物需要持续注视屏幕中心点，实时解码器将根据动物的fUS信号解析动物的意图，外部控制设备根据解码得到的方向信息来移动光标，如果光标移动的方向正确猴子可以得到奖励。每一次成功的trial信息会被收入训练集，这样解码器能够实时更新。经过一段时间的闭环模式训练，猴子都能基本学会用意图来控制光标并获得奖励。
图8 两个方向任务的实验结果
上图a可见在第8天的实验中，先让动物自己做任务，并在这个阶段训练实时解码器（蓝线），然后再切换到closed-loop模式，正确率可达到75%左右。在后续的研究中，作者又尝试利用之前几天的实验数据来对实时解码器进行预训练，经过预训练后解码器可以直接对动物当天的信号进行解码，并可以更快达到更高的准确率（上图b）。
图9 在线解码八个方向扫视任务
接下来，作者尝试了八个方向的解码，同样的不管是否经过预训练，动物都可以达到较高的准确率，但预训练可以显著地提高解码器的训练效率。
02
人体上的初步探索
脑机接口最终还是要用在人体上，那么如何实现人体fUS的成像，人体上的fUS信号是否可以进行解码，这些都是亟需解答的问题。
图10
今年5月发表于Science Translational Medicine杂志的这篇论文做了这方面的初步探索。
图11 在小鼠上检测不同的颅骨植入物对fUS信号的影响
fUS脑机接口要应用到人体，一个必要条件是在颅骨上植入一个声学的窗口，允许fUS信号通过这个窗口被检测到。这篇文章首先在小鼠上检测了人体上常用的颅骨植入材料对fUS信号的影响（上图）。三种厚度的PMMA材料，以及钛网。G图上一行是透过这几种材料的fUS成像效果，下面一行是fUS检测到的视觉刺激的响应地图，透过这些材料依然能够检测到被激活的区域，而PMMA效果好于钛网。
图12病人颅骨植入PMMA材料，在完整头皮下实现fUS脑功能成像
这位患者由于需要颅内减压切除了部分颅骨，在减压后植入PMMA材料替代颅骨。这个PMMA植入物的厚度为4mm，上面有一个厚度为2mm的成像窗，位于患者的初级运动区、初级躯体感觉区和顶叶后部皮层上方。在PMMA材料上覆盖有正常的头皮，经过这个2mm的成像窗可以进行经头皮的fUS成像。上图G显示了经头皮和2mmPMMA材料的fUS成像效果。
图13 PMMA 颅骨窗口允许非侵入性 fUS成像和解码
经过这个颅窗可获取患者的fUS脑功能成像。上图左，患者打游戏时的脑功能成像，上图右，患者弹奏吉他时的脑功能成像，利用这些fUS成像可进行解码，辨别患者不同的行为状态。
总结
目前在猕猴中的研究已经能够实现完整的fUS脑机接口，在这些研究中我们可以看到基于fUS的脑机接口所具有的巨大优势：
非侵入性，不伤害硬脑膜和脑组织；
可透过软组织，包括肉芽组织，在猕猴中信号敏感性可维持两年半以上；
大范围和深层视野，具有介观空间分辨率；
解码器性能长时间(长达数月)保持稳定。
皮层内电极-BMI难以保持稳定，几乎每天需要重新训练。而fUS-BMI通过1分钟左右的图像对齐，可以不需要重新训练
然而已有的这些临床前和临床研究还依然只是初步的探索，我们相信fUS脑机接口这个领域在未来必定大有可为，一些可能的研究方向包括：
更先进的、更适合图像的解码方法和训练方法；
采用最新的4D fUS获取3D体积的实时脑功能成像；
除了针对瘫痪病人的脑机接口，fUS的大视野及高稳定性这些特点使得它也适合于对重性精神病，神经退行性疾病，癫痫等进行长时间监控。
ICONEUS ONE
上图是fUS的商业化产品ICONEUS ONE，已在全球包括中国的60多个大学、研究所落地，并已发表过百篇文章。研究结果体现了该技术相较于活体电生理、钙成像等技术，具有更大的观察视野；相较于fMRI等功能成像技术，具有更好的时间、空间分辨率和灵敏度，并且更易于和电生理等其它技术结合进行观察。礼智生物科技是ICONEUS在中国地区的总经销商，致力于fUS技术的推广和开发。
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