Durchbruch in der Gedankenkontrolle: Caltech's bahnbrechende Ultraschall-Gehirn-Maschine-Schnittstelle

Die neuesten Fortschritte in der Brain-Machine-Interface-Technologie beinhalten die funktionelle Ultraschall (fUS), eine nicht-invasive Technik zur Lesung der Gehirnaktivität. Diese Innovation hat vielversprechende Ergebnisse bei der Steuerung von Geräten ohne nennenswerte Verzögerung und ohne häufige Neukalibrierung gezeigt. Quelle: SciTechDaily.com

Die funktionelle Ultraschall (fUS) markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Brain-Machine-Interface-Technologie und bietet eine weniger invasive Methode zur präzisen Kontrolle elektronischer Geräte durch die Interpretation der Gehirnaktivität.

Brain-Machine-Interfaces (BMIs) sind Geräte, die die Gehirnaktivität lesen können und diese Aktivität zur Steuerung eines elektronischen Geräts wie einer Prothesenhand oder eines Computerzeigers übersetzen können. Sie versprechen, Menschen mit Lähmungen zu ermöglichen, Prothesengeräte mit ihren Gedanken zu bewegen.

Viele BMIs erfordern invasive Operationen zur Implantation von Elektroden in das Gehirn, um die neuronale Aktivität zu lesen. Jedoch entwickelten Forscher der Caltech im Jahr 2021 eine Möglichkeit, die Gehirnaktivität mit funktionellem Ultraschall (fUS), einer wesentlich weniger invasiven Technik, zu lesen.

Jetzt zeigt eine neue Studie, dass die fUS-Technologie die Grundlage für eine "Online"-BMI sein kann, die die Gehirnaktivität liest, mit Hilfe von maschinellem Lernen die Bedeutung entschlüsselt und folglich einen Computer steuert, der Bewegungen mit sehr geringer Verzögerungszeit genau vorhersagen kann.

Ultraschall wird zur Darstellung zweidimensionaler Schichten des Gehirns verwendet, die dann gestapelt werden können, um ein 3D-Bild zu erzeugen. Quelle: W. Griggs

Die Studie wurde in den Laboratorien der Caltech unter der Leitung von Richard Andersen, James G. Boswell Professor für Neurowissenschaften und Direktor des T&C Chen Brain-Machine Interface Center, sowie Mikhail Shapiro, Max Delbrück Professor für Chemie- und Medizintechnik und Howard Hughes Medical Institute Investigator, durchgeführt. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem Labor von Mickael Tanter, Direktor für medizinische Physik bei INSERM in Paris, Frankreich, durchgeführt.

"Der funktionelle Ultraschall ist eine völlig neue Modalität, die den Werkzeugkasten der Brain-Machine-Interfaces erweitert und Menschen mit Lähmungen helfen kann", sagt Andersen. "Er bietet attraktive Optionen, da er weniger invasiv ist als Gehirnimplantate und keine ständige Neukalibrierung erfordert. Diese Technologie wurde als echte Zusammenarbeit entwickelt und konnte nicht allein von einem Labor durchgeführt werden."

"Im Allgemeinen haben alle Werkzeuge zur Messung der Hirnaktivität Vor- und Nachteile", sagt Sumner Norman, ehemaliger leitender Postdoktorand am Caltech und Co-Erstautor der Studie. "Während Elektroden die Aktivität einzelner Neuronen sehr präzise messen können, erfordern sie eine Implantation ins Gehirn selbst und sind schwer auf mehr als einige wenige kleine Hirnregionen zu skalieren. Nicht-invasive Techniken haben auch ihre Kompromisse. Die funktionelle Magnetresonanztomographie [fMRI] ermöglicht den Zugang zum ganzen Gehirn, ist aber durch begrenzte Empfindlichkeit und Auflösung eingeschränkt. Tragbare Methoden wie die Elektroenzephalographie [EEG] sind aufgrund schlechter Signalqualität und der Unfähigkeit, tiefe Gehirnfunktionen zu lokalisieren, beeinträchtigt."

Die Blutgefäße des hinteren Parietalkortex, gemessen mit der funktionellen Ultraschall-Neurobildgebung. Quelle: W. Griggs

Die Ultraschallbildgebung funktioniert, indem sie Pulse von hochfrequentem Schall aussendet und misst, wie sich diese Schallschwingungen in einer Substanz wie den verschiedenen Geweben des menschlichen Körpers verändern. Schallwellen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch diese Gewebetypen aus und reflektieren an den Grenzen zwischen ihnen. Diese Technik wird häufig verwendet, um Bilder eines Fötus im Mutterleib und für andere diagnostische Bildgebungsmethoden zu erstellen.

Da der Schädel selbst undurchlässig für Schallwellen ist, erfordert die Verwendung von Ultraschall für die Hirnbildgebung ein transparentes "Fenster", das in den Schädel installiert werden muss. "Wichtig ist, dass die Ultraschalltechnologie nicht direkt ins Gehirn implantiert werden muss", sagt Whitney Griggs (PhD '23), Co-Erstautorin der Studie. "Dies reduziert die Infektionsgefahr erheblich und lässt das Hirngewebe und seine schützende Hirnhaut intakt."

“As neurons’ activity changes, so does their use of metabolic resources like oxygen,” says Norman. “Those resources are resupplied through the blood stream, which is the key to functional ultrasound.” In this study, the researchers used ultrasound to measure changes in blood flow to specific brain regions. In the same way that the sound of an ambulance siren changes in pitch as it moves closer and then farther away from you, red blood cells will increase the pitch of the reflected ultrasound waves as they approach the source and decrease the pitch as they flow away. Measuring this Doppler-effect phenomenon allowed the researchers to record tiny changes in the brain’s blood flow down to spatial regions just 100 micrometers wide, about the width of a human hair. This enabled them to simultaneously measure the activity of tiny neural populations, some as small as just 60 neurons, widely throughout the brain.

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The researchers used functional ultrasound to measure brain activity from the posterior parietal cortex (PPC) of non-human primates, a region that governs the planning of movements and contributes to their execution. The region has been studied by the Andersen lab for decades using other techniques.

The animals were taught two tasks, requiring them to either plan to move their hand to direct a cursor on a screen, or plan to move their eyes to look at a specific part of the screen. They only needed to think about performing the task, not actually move their eyes or hands, as the BMI read the planning activity in their PPC.

“I remember how impressive it was when this kind of predictive decoding worked with electrodes two decades ago, and it’s amazing now to see it work with a much less invasive method like ultrasound,” says Shapiro.

The ultrasound data was sent in real-time to a decoder (previously trained to decode the meaning of that data using machine learning), and subsequently generated control signals to move a cursor to where the animal intended it to go. The BMI was able to successfully do this to eight radial targets with mean errors of less than 40 degrees.

“It’s significant that the technique does not require the BMI to be recalibrated each day, unlike other BMIs,” says Griggs. “As an analogy, imagine needing to recalibrate your computer mouse for up to 15 minutes each day before use.”

Next, the team plans to study how BMIs based on ultrasound technology perform in humans, and to further develop the fUS technology to enable three-dimensional imaging for improved accuracy.

The paper is titled “Decoding motor plans using a closed-loop ultrasonic brain–machine interface” and was published in the journal Nature Neuroscience on November 30.