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用意念控制电脑曾经是科幻小说中才会出现的情节，但随着脑机接口（BCI）技术的发展，这一设想正逐步变为现实。如今，脑机接口系统已经实现了令人惊叹的技术突破，能够通过意念控制机械手臂、计算机甚至更复杂的机器。然而，在这一技术领域中，仍存在许多亟待解决的难题，其中最大的挑战之一是如何有效识别那些可以通过头皮和头骨记录到的脑电信号。
研究成果发表在《nature》子刊《Scientific reports》上
在这一背景下，约翰霍普金斯大学的研究团队正在引领这场技术革命。位于马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）和约翰霍普金斯大学医学院的研究人员，在无创方式下高分辨率记录脑神经活动方面取得了重大进展。这项突破性的研究不仅为更广泛的脑机接口应用打开了大门，还为未来人机交互的发展奠定了重要基础。
01.
脑机接口过时了吗？
数字全息成像带来新突破
在神经科学领域，高分辨率且非侵入性地记录神经活动一直是临床诊断和研究的重要目标。这项技术不仅有助于深入理解人类的认知功能，还能推动神经疾病的治疗手段发展。然而，传统技术在空间和时间分辨率上的局限性，使得记录动态体内神经现象（如轴突和突触去极化）变得较为困难。
电记录技术，如皮层脑电图、电极对技术和膜片钳技术，尽管具有极高的灵敏度和分辨率，一直是记录神经活动的黄金标准。然而，这些方法均为侵入性操作，可能对神经组织造成损伤。此外，这些技术也缺乏灵活性，这极大限制了其在某些研究和临床场景中的应用。
电记录技术由于其缺乏灵活性极大限制了应用
如今，光学记录技术已经在神经科学中取得了显著进展，研究人员发现光子学方法可以检测神经元激活时的内在光学变化，例如组织反射率或强度的改变。这种无接触、无标记的记录方法避免了侵入性操作，并在灵活性和安全性方面占据优势。更进一步的研究还发现，动作电位期间神经元的细微变形也可以通过光学技术进行直接测量。这一发现为非接触记录神经活动提供了新的可能性。
例如，基于相干光学的技术（如数字全息成像，DHI）在记录神经元微小位移方面就展现出强大的潜力。通过相位测量，研究人员可以获得亚纳米级位移灵敏度和亚毫秒级时间分辨率，从而深入分析神经活动导致的组织动力学。然而，将这些技术应用于体内模型时会面临巨大挑战，如生理杂波、光学相位噪声和组织去相关时间差异，这大大增加了记录的难度。
02.
数字全息成像 (DHI) 克服众多挑战，
实现纳米毫米“双米”级识别
为克服这些困难，研究人员开发了一种全视野数字全息成像系统 (DHI)。该系统通过以下方式实现了创新：
• 减轻生理杂波：采用先进算法和成像技术，降低来自呼吸和血流的干扰。
• 抑制光学相位噪声：优化光学相干检测系统，提高相位测量的稳定性。
• 适配多种神经激活模型：在硬膜外电刺激、胡须偏转诱发的内在激活，以及药物诱导的皮质活动等实验模型中，均验证了其有效性。
数字全息成像 (DHI) 系统概览、图像重建和速度计算
从原理上来看，深度组织动态成像（Dynamic Holographic Imaging, DHI）是一种新型的神经活动检测方法，它可以通过利用组织运动信号记录神经元的活跃状态。DHI 通过监测神经元活动引发的微小组织变形来间接反映神经活动。实验采用硬膜外功能性电刺激 (FES) 激活神经元，这是因为这种方式能精确地同步刺激神经元群体，从而实现可重复的激活模式。
研究发现，在 0.25–0.75 mA 的刺激电流下，变形主要集中在阴极附近并沿径向传播，范围与电流强度成正比。这些变形反映了局部神经元的活动状态，并且随着神经元数量或去极化同步性的变化而变化。
局部硬膜外电刺激 (FES) 后的皮质组织速度
通过改进光波参数（如使用 1310 nm 波长减少散射、缩短激光相干长度至 50 μm），DHI 实现了对颅骨下约 2 mm 深度组织的高分辨率成像。实验进一步验证了神经活动与组织变形的直接关系：在麻醉或使用利多卡因抑制神经元活动时，组织变形显著减弱；而在心脏骤停模型中，随着神经元数量减少，变形也逐渐减弱，与 EEG 信号一致。
DHI 相较于传统电生理学或荧光成像方法，具有非侵入性和无标记性的优势，为体内神经活动研究提供了一种全新的工具。
03.
广阔应用潜力：从外部刺激到自然激活
为了让深度组织动态成像（DHI）技术更广泛地应用于体内神经活动的测量，研究团队将实验从直接使用功能性电刺激（FES）激活神经元，转向观察由自然生理活动（如胡须偏转和癫痫发作）引发的内在神经活动。在研究胡须偏转时，研究团队对大鼠初级体感皮层（wS1）进行了成像，发现其组织变形的开始和持续时间与同时记录的大脑皮层脑电图（ECoG）信号高度一致。然而，相较于 FES 诱导的组织变形，胡须偏转引起的速度显著降低。为提取这些较弱的信号，研究团队采用了高通滤波和空间线性叠加（SLA）技术以抑制生理伪影和减少噪声，尽管这些处理也会在一定程度上削弱信号强度。胡须刺激与 FES 的差异可能源于 wS1 独特的结构和功能：胡须刺激通过初级丘脑连接，再通过丘脑皮层通路逐层传播至 wS1，而 FES 则直接同步激活神经元群体。因此，DHI 的传感深度（约 1 毫米）可能导致这些多层次传播引起的组织变形出现模糊效应。为更清晰地呈现 wS1 的分层组织变形，未来需要使用短相干长度的激光进行更精细的成像。
与内在诱发神经活动相关的皮质组织速度
此外，为研究更大范围神经活动引发的组织变形，研究团队使用了癫痫模型，分析同步激活大范围神经元的效果。结果显示，癫痫发作期间的组织速度显著高于 FES 和胡须刺激，这与 EEG 测量的结果一致。这种较高的速度可以归因于感知体积内大量神经元的同步募集。这些发现不仅进一步验证了 DHI 技术对神经活动的敏感性，也表明其在探索多种神经激活模式和研究神经系统疾病方面具有广阔的应用潜力。
04.
技术总结与实用前景
总的来说，深度组织动态成像（DHI）这项新型技术可以通过观察脑组织的细微变形来捕捉神经活动的“踪迹”。研究团队发现，不同的神经激活方式（比如胡须偏转、功能性电刺激和癫痫发作）会导致脑组织产生不同程度的变形。其中，癫痫发作引起的组织变形最为显著，因为它会同步激活大范围的神经元。
DHI 技术的优势在于它无需侵入性操作，也不需要使用化学标记，同时具备很高的时间和空间分辨率。这使它能够成为一种强大的工具帮助研究人员深入了解神经活动的机制。相比传统的脑电图或荧光成像方法，DHI 在探测复杂神经活动和疾病机制方面展现了独特的潜力。
DHI技术走向临床实用还有一段路要走···
为了让 DHI 技术从实验室走向临床和工业应用，还需进一步优化硬件设备，使其更加便携、高效，适用于不同场景。同时，需开发标准化的分析方法和算法，确保结果的准确性和可重复性。
总体而言，DHI 的应用前景非常广阔，它有望成为一项核心工具，不仅能提升医学诊断和治疗水平，也可以为神经科学领域带来变革性的突破！
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