脳活動を読み取りマシンに命令するデバイス

カリフォルニア工科大学の研究チームは、脳活動を読み取って解釈し、コンピューターまたはマシンに命令を送信するデバイスであるブレインマシンインターフェース（BMI）の開発しています。

A major limitation for the development of BMIs is that the devices require invasive brain surgery to read out neural activity. But now, a collaboration at Caltech has developed a new type of minimally invasive BMI to read out brain activity corresponding to the planning of movement. Using functional ultrasound (fUS) technology, it can accurately map brain activity from precise regions deep within the brain at a resolution of 100 micrometers (the size of a single neuron is approximately 10 micrometers).

参照元：https://www.caltech.edu/about/news/reading-minds-with-ultrasound-a-less-invasive-technique-to-decode-the-brains-intentions
– カリフォルニア工科大学 California Institute of Technology. March 22, 2021 –

このページをスクロールしているときに、脳内で何が起こっていますか？

言い換えれば、あなたの脳のどの領域がアクティブで、どのニューロンが他のどのニューロンと話しているのか、そしてそれらがあなたの筋肉にどのような信号を送っているのか？

神経活動を対応する行動にマッピングすることは、脳活動を読み取って解釈し、コンピューターまたはマシンに命令を送信するデバイスであるブレインマシンインターフェース（BMI）を開発する神経科学者の主要な目標です。

これは空想科学小説のように見えるかもしれませんが、既存のBMIは、たとえば、麻痺した人をロボットアームに接続することができます。

デバイスは、人の神経活動と意図を解釈し、それに応じてロボットアームを動かします。

BMIの開発の主な制限は、デバイスが神経活動を読み取るために侵襲的な脳外科手術を必要とすることです。

しかし現在、カリフォルニア工科大学の共同研究により、運動の計画に対応する脳活動を読み取るための新しいタイプの低侵襲BMIが開発されました。

機能的超音波（fUS）技術を使用して、100マイクロメートルの解像度で脳の深部の正確な領域から脳活動を正確にマッピングできます（単一ニューロンのサイズは約10マイクロメートルです）。

新しいfUSテクノロジーは、侵襲性が低く、しかも高性能なBMIを作成するための主要なステップです。

アンデルセン研究所のポスドクであり、新しい研究の共同筆頭著者であるサムナーノーマン氏は話します。

「残念ながら、最も重度の麻痺を患っている一部の人だけが適格であり、電極を脳に移植する用意があります。機能的超音波は、脳組織に損傷を与えることなく詳細な脳活動を記録するための非常にエキサイティングな新しい方法です。動きを予測できることに興奮しました。最もエキサイティングなのは、fUSが大きな可能性を秘めた若い技術であるということです。これは、高性能で侵襲性の低いBMIをより多くの人々に提供するための最初のステップにすぎません。」

https://twitter.com/SumnerLN/status/1374012912759492609

今回の研究は、カリフォルニア工科大学のジェームズ・G・ボスウェル神経科学教授、リーダーシップ・チェア兼天橋・陳脳機械インターフェースセンター長のリチャード・アンダーセン氏と、化学工学教授でヘリテージ・メディカル・リサーチ・インスティチュートの研究員であるミハイル・シャピロ氏の研究室の共同研究です。

Shapiro氏は、チェン研究所の提携教員でもあります。

作品を説明する論文が2021年3月22日にジャーナルNeuronに掲載されました。

一般に、脳の活動を測定するためのすべてのツールには欠点があります。

埋め込まれた電極（電気生理学）は、単一ニューロンのレベルで活動を非常に正確に測定できますが、もちろん、それらの電極を脳に埋め込む必要があります。

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）のような非侵襲的技術は、脳全体を画像化できますが、かさばる高価な機械を必要とします。

脳波検査（EEG）は手術を必要としませんが、低い空間分解能でのみ活動を測定できます。

超音波は、高周波音のパルスを放出し、それらの音の振動が人体のさまざまな組織などの物質全体にどのようにエコーするかを測定することによって機能します。

音はこれらの組織タイプをさまざまな速度で伝わり、それらの間の境界で反射します。

この手法は、子宮内で胎児の画像を撮影するため、およびその他の画像診断に一般的に使用されます。

超音波は、臓器の内部運動を「聞く」こともできます。

たとえば、通過する救急車のように、赤血球は超音波の発生源に近づくにつれてピッチが増加し、流出するにつれて減少します。

この現象を測定することで、研究者は脳の血流のわずかな変化を100マイクロメートル（人間の髪の毛の幅のスケールで）まで記録することができました。

シャピロ氏は話します。

「脳の一部がより活発になると、その領域への血流が増加します。この作業の重要な質問は、脳の血流動態の高解像度画像を提供する機能的超音波のような技術があるかどうかです。宇宙で、そして時間の経過とともに、その画像から、行動について有用な何かを解読するのに十分な情報がありますか？」

「答えはイエスです。この手法は、fMRIのような他の非侵襲的手法では見ることができなかった、ターゲット領域の神経信号のダイナミクスの詳細な画像を生成しました。電気生理学に近いレベルの詳細を生成しましたが、侵襲性ははるかに低くなりました。」

コラボレーションは、シャピロ氏が機能的超音波のパイオニアであり、パリ医学物理学部長（ESPCI Paris Sciences et Lettres University、Inserm、CNRS）であるMickael Tanterを招待し、2015年にカリフォルニア工科大学でセミナーを開催したときに始まりました。

博士後期課程の学者（現在はUC Riversideの助教授）が講演に参加し、コラボレーションを提案しました。

その後、シャピロ、アンデルセン、タンターは、研究を遂行するためにNIHBRAINイニシアチブの助成金を受け取りました。

カリフォルニア工科大学での仕事は、ノーマン、元シャピロ研究室のポスドク研究員であるデビッド・マレスカ（現在はデルフト工科大学の助教授）、およびクリストプロスが主導しました。

ノーマンとともに、マレスカとクリストプロスは新しい研究の共同筆頭著者です。

この技術は、人間以外の霊長類の助けを借りて開発されました。

霊長類は、特定の手がかりが提示されたときに目や腕を特定の方向に動かすという簡単な作業を行うように教えられました。

霊長類がタスクを完了すると、fUSは、運動の計画に関与する脳の領域である後頭頂葉（PPC）の脳活動を測定しました。

Andersenラボは、PPCを数十年にわたって研究しており、以前は電気生理学を使用してこの地域の脳活動のマップを作成してきました。

fUSの精度を検証するために、研究者らはfUSからの脳イメージング活動を以前に取得した詳細な電気生理学データと比較しました。

次に、カリフォルニア工科大学のT＆C Chen Brain-Machine Interface Centerのサポートを通じて、チームは、fUS画像のアクティビティに依存する変更を使用して、開始前であっても、人間以外の霊長類の意図を解読できるかどうかを確認することを目指しました。

動き。次に、超音波画像データと対応するタスクが機械学習アルゴリズムによって処理されました。

機械学習アルゴリズムは、脳活動のどのパターンがどのタスクと相関しているかを学習しました。

アルゴリズムがトレーニングされると、人間以外の霊長類からリアルタイムで収集された超音波データが提示されました。

アルゴリズムは、数秒以内に、人間以外の霊長類が実行しようとしている行動（目の動きまたは到達）、動きの方向（左または右）、および動きを計画した時期を予測しました。

超音波イメージングの専門家であるマレスカ氏は話します。

「最初のマイルストーンは、超音波が身体の動きを計画するという考えに関連する脳信号をキャプチャできることを示すことでした。機能的超音波イメージングは​​、機能的MRIの10倍の感度と優れた解像度でこれらの信号を記録することができます。この発見は、機能的超音波に基づくブレインマシンインターフェースの成功の中核です。」

Andersen氏は話します。

「現在の高解像度のブレインマシンインターフェースは、硬膜、頭蓋骨と脳の間の強力な線維膜を開き、電極を脳に直接埋め込むなど、脳の手術を必要とする電極アレイを使用しています。しかし、超音波信号は硬膜と脳を非侵襲的に。頭蓋骨に移植する必要があるのは、超音波透過性の小さな窓だけです。この手術は、電極の移植に必要な手術よりもはるかに侵襲性が低くなります。」

この研究は人間以外の霊長類で実施されましたが、USCの脳神経外科医であるCharles Liu博士と共同で、外傷性脳損傷のために頭蓋骨を持っていた人間のボランティアと技術を研究しています。

超音波はこれらの「音響ウィンドウ」を影響を受けずに通過できるため、機能的な超音波がこれらの個人の脳活動をどれだけうまく測定およびデコードできるかを研究することが可能になります。