Mapiranje neuronske aktivnosti u odgovarajuća ponašanja glavni je cilj neuroznanstvenika koji razvijaju sučelja mozak-stroj (BMI), uređaje koji čitaju i tumače moždanu aktivnost i prenose upute na računalo ili stroj. Iako se ovo može činiti kao znanstvena fantastika, postojeći BMI uređaji mogu, na primjer, povezati paraliziranu osobu s robotskom rukom, interpretirati neuronsku aktivnost te u skladu s namjerama osobe pomicati robotsku ruku.

Očitavanje moždanih aktivnosti

No postoje i ograničenja. BMI uređaji zahtijevaju invazivnu operaciju mozga kako bi očitavali neuralnu aktivnost. No sada su na Caltechu razvili novu vrstu minimalno invazivnog BMI-a kako bi očitavali moždanu aktivnost koja planira pokrete. Koristeći tehnologiju funkcionalnog ultrazvuka (fUS), moždanu aktivnost iz regija duboko u mozgu može se precizno mapirati u razlučivosti od 100 mikrometara; pojedini neuron velik je približno 10 mikrometara.

Nova fUS tehnologija, opisana u časopisu Neuron, važan je iskorak u stvaranju manje invazivnih, ali ipak vrlo sposobnih BMI-a.

"Invazivni oblici sučelja mozga i stroja već mogu vratiti pokret onima koji su ga izgubili zbog neuroloških ozljeda ili bolesti", kaže Sumner Norman iz Andersenovog laboratorija.  Nažalost, samo nekoliko odabranih osoba s najtežom paralizom ispunjava sve uvjete i pristaje na to da im se elektrode ugrade u mozak.  

Ogromni potencijal

Ipak, funkcionalni ultrazvuk nevjerojatno je uzbudljiva nova metoda za bilježenje detaljne moždane aktivnosti bez oštećenja moždanog tkiva. 

"Pomaknuli smo granice ultrazvučnog snimanja i bili su oduševljeni što može predvidjeti kretanje. Najuzbudljivije je to što je fUS mlada tehnika s ogromnim potencijalom; ovo je samo naš prvi korak prema u cilju: manje invazivnom BMI-u", kaže Norman.

Općenito, svi alati za mjerenje moždane aktivnosti imaju nedostatke. Implantirane elektrode (elektrofiziologija) mogu vrlo precizno izmjeriti aktivnost na razini pojedinih neurona no to zahtijeva implantaciju elektroda u mozak.

Neinvazivne tehnike poput funkcionalne magnetske rezonancije (fMRI) mogu slikati cijeli mozak, ali zahtijevaju glomazne i skupe strojeve. Elektroencefalografija (EEG) ne zahtijeva operaciju, ali može mjeriti aktivnost samo pri maloj prostornoj rezoluciji.

Dekodiranje korisnih podataka

Ultrazvuk emitira impulse visokofrekventnog zvuka i mjeri kako te zvučne vibracije odjekuju kroz različita tkiva ljudskog tijela. Zvuk putuje različitim brzinama kroz ove vrste tkiva i odražava se na granicama između njih. Ova se tehnika obično koristi za snimanje fetusa in utero i za druge dijagnostičke snimke.

Ultrazvuk također može "čuti" unutarnje kretanje organa. Na primjer, crvene krvne stanice povećavat će se visinu tona kako se približavaju izvoru ultrazvučnih valova i smanjivati ​​kako odmiču. Mjerenje ovog fenomena omogućilo je istraživačima da zabilježe sitne promjene u protoku krvi mozga do 100 mikrometara, dakle na skali širine ljudske dlake. 

Kad dio mozga postane aktivniji, povećava se i protok krvi u tom području. Ključno pitanje u ovom radu bilo je: mogu li se iz slika dinamike krvotoka mozga u visokoj rezoluciji dekodirati korisni podaci? Pokazalo se da mogu. Štoviše, razina detalja približila se  elektrofiziologiji, ali uz daleko manje invazivan postupak.

Tehnologija je razvijena uz pomoć neljudskih primata, naučenih raditi jednostavne zadatke koji uključuju pomicanje očiju ili ruku u određenim smjerovima kada im se daju određeni znakovi. Kako su primati izvršavali zadatke, fUS je mjerio aktivnost mozga u stražnjem tjemenom korteksu (PPC), regiji mozga koja je uključena u planiranje pokreta. 

Implantacija u lubanju

Andersenov laboratorij  desetljećima je proučavao PPC i prethodno je kreirao mape moždane aktivnosti u regiji koristeći elektrofiziologiju. Da bi potvrdili točnost fUS-a, istraživači su usporedili aktivnost snimanja mozga s fUS-a s prethodno dobivenim detaljnim elektrofiziološkim podacima.

Podaci ultrazvučne slike i odgovarajući zadaci obrađeni su algoritmom strojnog učenja koji je u samo nekoliko sekundi predvidio ponašanje i smjer pokreta primata.

Trenutna sučelja mozga i stroja visoke rezolucije koriste nizove elektroda koji zahtijevaju operaciju mozga, što uključuje otvaranje dure, vlaknaste membrane između lubanje i mozga i ugradnju elektroda izravno u mozak. Ali ultrazvučni signali kroz dure do mozga mogu proći i neinvazivno. U lubanju treba implantirati samo mali, ultrazvučno propusni prozorčić. A takva je operacija znatno manje invazivna od one koja je potrebna za implantaciju elektroda.

Iako je ovo istraživanje provedeno na primatima, očekuju se i prva ispitivanja na ljudima kojima je zbog traumatičnih ozljeda mozga uklonjen komad lubanje. Budući da ultrazvučni valovi mogu proći netaknuti kroz ove "akustične prozore", bit će moguće proučiti koliko dobro funkcionalan ultrazvuk može mjeriti i dekodirati moždanu aktivnost ljudi.