由机器之心报告。
编辑：Rome Rome
Forest Neurotech和Butterfly Network合作构建了一个能够亚毫米级精确操作的脑机接口，与传统的电信号相比，它将使用超声波来刺激和记录大脑活动。
2024年，脑机接口（BCI）技术仍在经历快速发展的一年。
已经有一些成就可以解码大脑信号来控制外部设备，也有一些成就可以通过外部设备改变大脑信号。 一些脑机接口开发公司，如Neuralink、Paradromics和Synchron，都希望进入人体临床试验。
今年5月，Neuralink获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准进行人体临床试验。 9月，Neuralink宣布了其首次脑机接口人体试验，相关进展受到广泛关注。 彭博社后来报道称，Neuralink计划明年对植入脑机接口设备的临床志愿者进行11例手术。
2022 年 12 月，马斯克在 Neuralink 的发布会上展示了一只可以用心打字的实验猴子。
但最近，Forest Neurotech和Butterfly Network的研究人员宣布，他们正在合作开发一种具有完全不同介质的脑机接口设备：超声波。
10月，Forest Neurotech和Butterfly Network宣布联合投资2000万美元，以推进基于超声波的脑机接口研究。 Forest Neurotech将授权Butterfly Network的超声芯片技术，开发用于学术研究的微创超声BCI设备。
大多数脑机接口系统使用电信号作为测量大脑活动的媒介，一些电信号也用于刺激大脑。 Forest发布的设备将使用超声波与大脑互动，而不是通常的电信号。
这项工作背后的基本思想是基于直接聚焦超声（FUS）可以改变神经元的动作电位的原理，神经元是脑细胞用来相互交流的离子电流。 通过多普勒效应测量局部血流的变化，超声也可用于估计大脑区域的神经活动，称为功能性超声成像 （FUSI）。
犹他阵列是一种传统的植入式脑机接口，可以在大脑内引起强烈的排斥反应。
Forest Neurotech首席技术官威廉·比德曼（William Biederman）表示，Butterfly的技术将使他的团队能够构建一个脑机接口，实现亚毫米级的精确操作，当植入用户的头骨时，将使用超声波来刺激和记录大脑活动。
为什么选择超声作为脑机接口的介质？与其他神经刺激和成像技术相比，聚焦超声可以从颅骨外灵活地靶向大脑的特定区域，而电信号刺激的空间范围有限。 为了用电流刺激大脑的更深区域，进行开颅手术，将电极放置在相关区域附近。 除了在深处植入电极外，还可以将电极连接到头皮上以记录大脑中的电信号，但这种方法只能记录靠近表面的大脑区域的活动。 虽然超声波还不能穿透颅骨来记录深处的神经活动，但可以通过移除一部分颅骨并将设备放在大脑表面来做到这一点。
Butterfly 开发的超声硬件将大型临床超声系统的音频生成、控制和记录功能集成到单个芯片大小的设备中。 基于这些超声芯片，Forest程序利用定向、聚焦的超声波来刺激大脑，并使用fusi来测量神经活动。
蝶形网络超声波芯片示意图，来源：
FUSI是一种通过测量血液变化来估计神经活动变化的技术。 像所有细胞一样，神经元需要血液供应。 当神经活动增加时，血流量也会增加。 fusi技术的原理是通过向神经元活跃的大脑区域发射超声波并记录返回的波来测量血流量。 当声波从流动的血液中反射回来时，返回的声波的振动频率与发出时的声波不同。 fusi技术通过基于多普勒频移现象估计血流变化来间接估计神经元的电化学反应。
Forest Neurotech的顾问、加州理工学院教授米哈伊尔·夏皮罗（Mikhail Shapiro）说：“使用功能性超声波生成观察神经活动的血液图像，这种方法效果非常好，甚至超出了最初提出时的所有预期。 」
超声波既可以记录神经活动，也可以控制神经活动。 尽管至少在20世纪50年代就已经知道超声波可以控制神经活动的事实，但科学家们仍然不确定超声波是如何导致神经元放电的。 最近，科学家们在一项利用超声波将脑组织与啮齿动物分离的实验中取得了新的进展。 实验表明，高频声波的开启似乎打开了特定的钙离子通道，但其发生的确切机制仍然是个谜。
为了同时进行脑机接口刺激和记录，Forest开发的系统需要在用户的头骨中植入多个Butterfly超声芯片。 虽然超声波刺激可以有效地穿透骨骼，但fusi记录技术还不能完全做到这一点。 当声音通过颅骨时，声音会减弱，加上输出和返回处的衰减，这使得完全无创的超声记录系统无法实现。 因此，Forest计划将传感器放置在颅骨内，与覆盖大脑的硬脑膜齐平。
Forest Neurotech 和 Butterfly Network 之间的合作伙伴关系是 Butterfly Network 蝴蝶园计划的一部分。 该计划旨在为医疗器械团队提供技术支持。 Butterfly Network 成立于 2011 年，是一家创新型数字健康公司，其使命是让每个人都能获得高质量的医学成像，使超声成像成为最容易获得、最易于操作、全球可访问和智能连接的超声成像。
Forest Neurotech 是 Convergent Research 的一部分，Convergent Research 是一家非营利组织，专注于技术开发，而不是制造和销售临床设备。 我们没有计划在我们的非营利研究机构的生命周期内向FDA提交申请。 Forest Neurotech首席技术官Biederman表示：“我们正在努力推进超声脑机接口技术，以及基础科学的新发现。 一旦这项技术取得最新进展，Forest将提供给学术界和其他工业研究机构，以推动产品开发和科技进步。
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