การทำแผนที่กิจกรรมของระบบประสาทกับพฤติกรรมที่สอดคล้องกันเป็นเป้าหมายหลักสำหรับนักประสาทวิทยาที่พัฒนาส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับเครื่อง (BMIs): อุปกรณ์ที่อ่านและตีความการทำงานของสมองและส่งคำแนะนำไปยังคอมพิวเตอร์หรือเครื่องจักร แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ดัชนีมวลกายที่มีอยู่สามารถเชื่อมโยงคนที่เป็นอัมพาตด้วยแขนหุ่นยนต์ อุปกรณ์ตีความกิจกรรมและความตั้งใจของระบบประสาทของบุคคลและขยับแขนหุ่นยนต์ตามลำดับ

ข้อ จำกัด ที่สำคัญสำหรับการพัฒนา BMI คืออุปกรณ์ดังกล่าวต้องการการผ่าตัดสมองที่รุกรานเพื่ออ่านกิจกรรมของระบบประสาท แต่ตอนนี้ การทำงานร่วมกันที่ Caltech ได้พัฒนา BMI ที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดรูปแบบใหม่ เพื่ออ่านกิจกรรมของสมองที่สอดคล้องกับการวางแผนการเคลื่อนไหว การใช้เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์เชิงฟังก์ชัน (fUS) สามารถแมปกิจกรรมของสมองจากส่วนลึกภายในสมองอย่างแม่นยำที่ความละเอียด 100 ไมโครเมตร (ขนาดของเซลล์ประสาทเดียวประมาณ 10 ไมโครเมตร)

เทคโนโลยี fUS ใหม่เป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้าง BMI ที่มีการบุกรุกน้อยลง แต่ยังมีความสามารถสูง

Sumner Norman นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตในห้องปฏิบัติการ Andersen และผู้เขียนร่วมในการศึกษาครั้งใหม่กล่าวว่า 'รูปแบบการบุกรุกของอินเทอร์เฟซของสมองและเครื่องสามารถให้การเคลื่อนไหวกลับไปยังผู้ที่สูญเสียไปเนื่องจากอาการบาดเจ็บทางระบบประสาทหรือโรคต่างๆ 'น่าเสียดายที่มีเพียงไม่กี่คนที่เป็นอัมพาตรุนแรงที่สุดเท่านั้นที่มีสิทธิ์และเต็มใจที่จะฝังอิเล็กโทรดในสมองของพวกเขา อัลตราซาวนด์ที่ใช้งานได้เป็นวิธีใหม่ที่น่าตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อในการบันทึกการทำงานของสมองโดยละเอียดโดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อสมอง เราผลักดันขีดจำกัดของการสร้างภาพประสาทด้วยอัลตราซาวนด์และ ตื่นเต้นมากที่ทำนายการเคลื่อนไหวได้ สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือ FUS เป็นเทคนิคใหม่ที่มีศักยภาพสูง นี่เป็นเพียงก้าวแรกของเราในการนำค่าดัชนีมวลกายประสิทธิภาพสูงและค่าดัชนีมวลกายที่บุกรุกน้อยกว่ามาสู่ผู้คนจำนวนมากขึ้น'

การศึกษาครั้งใหม่นี้เป็นความร่วมมือระหว่างห้องปฏิบัติการของ Richard Andersen, James G. Boswell ศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาและความเป็นผู้นำ และผู้อำนวยการ Tianqiao และ Chrissy Chen Brain-Machine Interface Center ใน Tianqiao และ Chrissy Chen Institute for Neuroscience ที่ Caltech; และของ Mikhail Shapiro ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและผู้ตรวจสอบสถาบันวิจัยการแพทย์มรดก ชาปิโรเป็นสมาชิกคณะในเครือของสถาบันเฉิน

บทความอธิบายงานนี้ปรากฏในวารสารNeuronเมื่อวันที่ 22 มีนาคม

โดยทั่วไป เครื่องมือทั้งหมดสำหรับวัดการทำงานของสมองมีข้อเสีย อิเล็กโทรดที่ฝัง (electrophysiology) สามารถวัดกิจกรรมในระดับของเซลล์ประสาทเดี่ยวได้อย่างแม่นยำมาก แต่แน่นอนว่าต้องมีการฝังอิเล็กโทรดเหล่านั้นเข้าไปในสมอง เทคนิคที่ไม่รุกราน เช่น functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) สามารถถ่ายภาพสมองทั้งหมดได้ แต่ต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่และมีราคาแพง Electroencephalography (EEGs) ไม่จำเป็นต้องผ่าตัด แต่สามารถวัดกิจกรรมที่ความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำเท่านั้น

อัลตราซาวนด์ทำงานโดยปล่อยคลื่นเสียงความถี่สูงและวัดว่าการสั่นสะเทือนของเสียงสะท้อนไปทั่วสารอย่างไร เช่น เนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ เสียงเดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกันผ่านเนื้อเยื่อประเภทนี้ และสะท้อนที่ขอบเขตระหว่างพวกมัน เทคนิคนี้มักใช้ในการถ่ายภาพทารกในครรภ์และสำหรับการถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยอื่นๆ

อัลตราซาวนด์ยังสามารถ 'ได้ยิน' การเคลื่อนไหวภายในของอวัยวะต่างๆ ตัวอย่างเช่น เซลล์เม็ดเลือดแดง เช่น รถพยาบาลที่วิ่งผ่าน จะเพิ่มระดับเสียงเมื่อพวกมันเข้าใกล้แหล่งที่มาของคลื่นอัลตราซาวนด์ และลดลงเมื่อพวกมันไหลออกไป การวัดปรากฏการณ์นี้ทำให้นักวิจัยสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ในการไหลเวียนของเลือดในสมองได้ถึง 100 ไมโครเมตร (ตามความกว้างของเส้นผมมนุษย์)

“เมื่อส่วนหนึ่งของสมองมีการเคลื่อนไหวมากขึ้น การไหลเวียนของเลือดไปยังบริเวณนั้นจะเพิ่มขึ้น คำถามสำคัญในงานนี้คือ: หากเรามีเทคนิคอย่างอัลตราซาวนด์เชิงหน้าที่ที่ให้ภาพความละเอียดสูงของไดนามิกการไหลเวียนของเลือดในสมอง ในอวกาศและเมื่อเวลาผ่านไป มีข้อมูลจากภาพนั้นเพียงพอที่จะถอดรหัสสิ่งที่มีประโยชน์เกี่ยวกับพฤติกรรมหรือไม่' ชาปิโรกล่าว 'คำตอบคือใช่ เทคนิคนี้สร้างภาพที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับไดนามิกของสัญญาณประสาทในบริเวณเป้าหมายของเรา ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยเทคนิคที่ไม่รุกรานอื่นๆ เช่น fMRI เราสร้างรายละเอียดในระดับที่ใกล้เคียงกับอิเล็กโตรสรีรวิทยา แต่มีการบุกรุกน้อยกว่ามาก ขั้นตอน.'

ความร่วมมือเริ่มต้นขึ้นเมื่อ Shapiro เชิญ Mickael Tanter ผู้บุกเบิกด้านอัลตราซาวนด์ที่ใช้งานได้และผู้อำนวยการ Physics for Medicine Paris (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS) มาบรรยายที่ Caltech ในปี 2015 Vasileios Christopoulos อดีตห้องปฏิบัติการ Andersen นักวิชาการดุษฎีบัณฑิต (ปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ UC Riverside) เข้าร่วมการบรรยายและเสนอความร่วมมือ Shapiro, Andersen และ Tanter ได้รับทุน NIH BRAIN Initiative เพื่อดำเนินการวิจัย งานที่ Caltech นำโดย Norman อดีต David Maresca อดีตผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Delft University of Technology และ Christopoulos นอกจาก Norman แล้ว Maresca และ Christopoulos ยังเป็นผู้เขียนร่วมคนแรกในการศึกษาใหม่นี้

เทคโนโลยีนี้พัฒนาขึ้นโดยอาศัยความช่วยเหลือของไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์ ซึ่งได้รับการสอนให้ทำงานง่ายๆ ที่เกี่ยวข้องกับการขยับตาหรือแขนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเมื่อนำเสนอด้วยสัญญาณบางอย่าง เมื่อบิชอพทำงานเสร็จสิ้น FUS ได้วัดการทำงานของสมองในคอร์เทกซ์กลีบข้างหลัง (PPC) ซึ่งเป็นบริเวณของสมองที่เกี่ยวข้องกับการวางแผนการเคลื่อนไหว ห้องปฏิบัติการ Andersen ได้ศึกษา PPC มานานหลายทศวรรษแล้ว และก่อนหน้านี้ได้สร้างแผนที่ของการทำงานของสมองในภูมิภาคนี้โดยใช้อิเล็กโตรสรีรวิทยา เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของ fUS นักวิจัยได้เปรียบเทียบกิจกรรมการถ่ายภาพสมองจาก fUS กับข้อมูล electrophysiology โดยละเอียดที่ได้รับก่อนหน้านี้

ต่อไป โดยการสนับสนุนของ T&C Chen Brain-Machine Interface Center ที่ Caltech ทีมงานได้ตั้งเป้าที่จะดูว่าการเปลี่ยนแปลงที่ขึ้นกับกิจกรรมในภาพ fUS สามารถใช้ถอดรหัสความตั้งใจของไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์ได้หรือไม่ แม้กระทั่งก่อนที่มันจะเริ่มต้น การเคลื่อนไหว ข้อมูลภาพอัลตราซาวนด์และงานที่เกี่ยวข้องได้รับการประมวลผลโดยอัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องซึ่งเรียนรู้ว่ารูปแบบของการทำงานของสมองมีความสัมพันธ์กับงานใดบ้าง เมื่ออัลกอริทึมได้รับการฝึกอบรม จะแสดงข้อมูลอัลตราซาวนด์ที่รวบรวมแบบเรียลไทม์จากไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์

อัลกอริธึมทำนายพฤติกรรมที่ไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์กำลังจะเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที (การเคลื่อนไหวของดวงตาหรือการเข้าถึง) ทิศทางของการเคลื่อนไหว (ซ้ายหรือขวา) และเมื่อใดที่พวกเขาวางแผนจะทำการเคลื่อนไหว

'ก้าวแรกคือการแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์สามารถจับสัญญาณสมองที่เกี่ยวข้องกับความคิดในการวางแผนการเคลื่อนไหวทางกายภาพได้' Maresca ผู้เชี่ยวชาญด้านการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์กล่าว 'การถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์ที่ใช้งานได้สามารถบันทึกสัญญาณเหล่านี้ด้วยความไวและความละเอียดที่มากกว่า 10 เท่าของ MRI ได้ 10 เท่า การค้นพบนี้เป็นหัวใจสำคัญของความสำเร็จของการเชื่อมต่อระหว่างสมองกับเครื่องโดยอาศัยอัลตราซาวนด์ที่ใช้งานได้'

'อินเทอร์เฟซเครื่องสมองที่มีความละเอียดสูงในปัจจุบันใช้อาร์เรย์อิเล็กโทรดที่ต้องผ่าตัดสมอง ซึ่งรวมถึงการเปิดดูรา เยื่อเส้นใยที่แข็งแรงระหว่างกะโหลกศีรษะและสมอง และการฝังอิเล็กโทรดเข้าไปในสมองโดยตรง แต่สัญญาณอัลตราซาวนด์สามารถผ่าน dura และสมองไม่รุกราน เฉพาะหน้าต่างขนาดเล็กที่โปร่งใสด้วยอัลตราซาวนด์เท่านั้นที่ต้องปลูกถ่ายในกะโหลกศีรษะ การผ่าตัดนี้มีการบุกรุกน้อยกว่าที่จำเป็นสำหรับการฝังอิเล็กโทรดอย่างมาก' Andersen กล่าว

แม้ว่างานวิจัยนี้จะดำเนินการในไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์ แต่ความร่วมมืออยู่ในระหว่างทำงานร่วมกับดร. ชาร์ลส์ หลิว ศัลยแพทย์ทางระบบประสาทที่ USC เพื่อศึกษาเทคโนโลยีกับอาสาสมัครที่เป็นมนุษย์ซึ่งได้รับชิ้นส่วนของกะโหลกศีรษะเนื่องจากอาการบาดเจ็บที่สมอง ลบออก. เนื่องจากคลื่นอัลตราซาวนด์สามารถผ่านได้โดยไม่ได้รับผลกระทบผ่าน 'หน้าต่างอะคูสติก' เหล่านี้ จึงเป็นไปได้ที่จะศึกษาว่าอัลตราซาวนด์ที่ใช้งานได้สามารถวัดและถอดรหัสการทำงานของสมองในบุคคลเหล่านี้ได้ดีเพียงใดบาคาร่า สมัครบาคาร่า