Volgens het laatste nummer van Nature Neuroscience bevestigt een nieuwe studie dat functionele ultrasone technologie (FUS), ontwikkeld door onderzoekers van het California Institute of Technology, de basis kan worden van een "online" hersencomputerinterface (BMI) die hersenactiviteit kan lezen en de betekenis ervan kan ontcijferen via een decoder die is geprogrammeerd met machinaal leren, waardoor een computer kan worden bestuurd met extreem korte latentie en nauwkeurige bewegingsvoorspelling.


Anatomisch opnamevlak en gedragstaken. Bron afbeelding: Physicist Organization Network

In 2021 ontwikkelden Caltech-onderzoekers een manier om hersenactiviteit te lezen met behulp van functionele echografie, een veel minder invasieve techniek.

Echografie werkt door hoogfrequente geluidspulsen uit te zenden en vervolgens de echo's van deze geluidstrillingen in materialen, zoals verschillende weefsels in het menselijk lichaam, te meten. Geluidsgolven reizen met verschillende snelheden door deze weefseltypen en worden gereflecteerd op de grenzen ertussen. Deze technologie wordt vaak gebruikt om beelden te maken van een foetus in de baarmoeder en voor andere diagnostische beeldvorming.

Omdat de schedel ondoordringbaar is voor geluidsgolven, vereist beeldvorming van de hersenen met behulp van echografie een transparant "venster" in de schedel. De ultrasone technologie vereist geen implantatie in de hersenen zelf, waardoor de kans op infectie aanzienlijk wordt verkleind en het hersenweefsel en de beschermende dura mater intact blijven.

Veranderingen in neuronale activiteit kunnen veranderingen veroorzaken in het gebruik van metabolische hulpbronnen zoals zuurstof. Deze hulpbronnen worden aangevuld via het bloed, wat de sleutel is tot functionele echografie. In deze studie gebruikten onderzoekers echografie om veranderingen in de bloedstroom naar specifieke hersengebieden te meten. Net zoals een sirene van een ambulance van toon verandert met de afstand, verhogen rode bloedcellen de toonhoogte van de gereflecteerde ultrasone golven als ze de bron van het geluid naderen, en verlagen ze de toonhoogte als ze zich van de bron verwijderen.

Door dit Doppler-effect te meten, kunnen onderzoekers kleine veranderingen in de bloedstroom in de hersenen registreren in een ruimtelijk gebied van slechts 100 micron breed, ongeveer de breedte van een haar. Ze waren in staat om tegelijkertijd de activiteit te meten van kleine populaties zenuwcellen die wijd verspreid waren over de hersenen, sommige zo klein als 60 neuronen.

De onderzoekers gebruikten functionele echografie om de hersenactiviteit te meten in de posterieure pariëtale cortex (PPC) van niet-menselijke primaten, een gebied dat verantwoordelijk is voor het plannen en helpen uitvoeren van bewegingen. De dieren leerden twee taken: hun handen bewegen om een ​​cursor op het scherm te geleiden en hun ogen bewegen om naar specifieke delen van het scherm te kijken. Ze hoeven alleen maar na te denken over het uitvoeren van de taak, in plaats van daadwerkelijk hun ogen of handen te bewegen, omdat de BMI hun hersenactiviteit kan aflezen.

Ultrasone gegevens worden in realtime naar de decoder gestuurd, die vervolgens besturingssignalen genereert om de cursor naar de gewenste plek te verplaatsen. BMI kon dit met succes doen voor 8 radiale doelen met een kleine gemiddelde fout.