超声前沿：Nature专栏评述超声“读心”

获OpenAI Sam Altman支持的Merge Labs拟与Elon Musk旗下的脑机接口公司Neuralink一较高下，成为近期科学和产业界的热点话题，本期对Nature专栏原文翻译，并配发点评，不妥之处敬请各位同行专家不吝指教！

脑植入设备已开始帮助严重残疾人士近乎实时地说话，甚至唱歌。如今，一家公司希望借助超声——一种超出人类听觉范围的高频声波，无需将电极深度植入大脑，就能解读人类思维并治疗精神疾病。

Merge Labs于上月成立，其目标描述模糊，却是蓬勃发展的脑机接口（BCI）市场中众多公司之一。让它脱颖而出的是2.52亿美元的投资，投资方包括总部位于加利福尼亚州旧金山的人工智能公司OpenAI。这家初创公司被称为Elon Musk旗下Neuralink的竞争对手，Neuralink生产的设备可检测和操控大脑中的电活动，目前已在患者身上进行试验。

《自然》杂志采访了相关研究人员，探究Merge Labs背后的团队构成，以及该公司的技术方案是否有坚实的科学基础。

何为MergeLabs？

这家盈利性公司将自身定位为研究实验室，而非追求快速投资回报的企业。它源自总部位于加利福尼亚州洛杉矶的非营利研究机构Forest Neurotech。

Merge Labs的联合创始人包括三位研究人员：Forest Neurotech的首席科学官Tyson Aflalo、首席执行官Sumner Norman，以及帕萨迪纳市加州理工学院的脑机接口研究员、Forest Neurotech顾问Mikhail Shapiro。其他联合创始人还包括科技企业家Alex Blania、Sandro Herbig，以及OpenAI的首席执行官Sam Altman。

Merge Labs脑机接口与Neuralink有何不同？

MergeLabs似乎正在研发用于成像和调节大脑活动的超声技术。这种方案比Neuralink式设备的侵入性小得多——它要么将传感器植入颅骨正下方，要么通过颅骨上的窗口工作，而非深入大脑内部。英国普利茅斯大学的神经科学家Elsa Fouragnan（与Forest Neurotech有合作）表示，电子设备是固定的，只能在电极植入的位置进行交互，而超声可以监测大脑的大范围区域，并刺激多个位点，这有助于治疗抑郁症等多方面疾病。与Neuralink一样，Merge Labs计划利用人工智能来解码大脑活动。

超声如何与大脑相互作用？

传统的超声成像原理类似声纳，通过声波反射组织来构建人体内部图像。功能超声则更为复杂：它分析超声反射时频率和振幅的变化（这些变化由移动物体散射引起），从而检测血细胞的运动并估算血流量。Fouragnan说，当神经元高度活跃时，它们需要更多氧气，这会引发血流量变化，进而揭示大脑活动。“它会生成一幅地图——活跃区域显示为红色，无活动区域则无显示。”

超声还可用于刺激神经元。当多束声波聚焦于一个点时，会改变神经元周围的压力，从而改变其放电频率。Merge Labs暗示，可能会将这种聚焦超声与一种更具探索性的“声遗传学”技术相结合——声遗传学利用基因工程，使特定细胞对超声的反应更敏感。

超声脑机存在哪些局限？

瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的神经技术研究员Giacomo Valle表示，尽管这种方法比脑内植入设备的侵入性小，但仍需通过手术进入颅骨下方。此外，虽然超声能以较高的空间分辨率（约0.2毫米）读取大脑信息，但速度相对较慢——因为血流量是大脑活动的间接指标，存在滞后性。

伦敦帝国理工学院的神经信息学家、脑机接口公司Cogitat的联合创始人Dimitrios Adamos说：“如果目标是构建交互式脑机接口，让系统能足够快地响应患者的‘意图’（例如解码患者的语言），那么基于血流量的方法面临着根本性限制。”

图为大鼠活体三维超声脑血流成像结果，可清晰呈现大鼠全脑血管网络。

编者按：“在瞬态解码场景中，与fMRI和fNIRS的BOLD(血氧水平依赖)信号解码相类似，基于神经血管耦合机制的功能血流监测相比于神经电信号来讲具有生理延迟；但需注意的是，在十分重要的脑皮层成像场景中，功能超声（fUS）可同时达到数十毫秒级和100微米级的时空分辨率，还可实现大面积多脑区的长程无创监测，具备了鲜明的高精度和高通量技术优势。物理层面，fUS颠覆了fMRI成像帧率瓶颈；灵敏度层面，fUS打破了fNIRS血流成像精度；视野层面，fUS具有大空间成像和深脑成像的特色，从而有望为硬膜外非侵入式脑机技术发展带来新机遇。”

脑超声技术在哪些应用场景中显示出潜力？

尽管利用超声进行实时大脑交互面临诸多挑战，Merge Labs仍在采用这种方法构建脑机接口。该公司的研究人员已使用超声设备解读猴子的意向动作，并检测人类弹吉他、玩电子游戏等行为背后的大脑活动。

除脑机接口外，超声在其他治疗领域也有应用前景。Fouragnan表示，这类设备可作为深部脑电刺激的侵入性更小、更灵活的替代方案，用于治疗癫痫，以及涉及大脑多个位点的疾病，如耳鸣、重度抑郁症、成瘾症和饮食失调。与现有的头部外部聚焦超声治疗神经疾病的尝试相比，颅骨下植入设备也具有显著优势。

Fouragnan称“非常新颖”的声遗传学技术，还有望让超声更具选择性地靶向特定神经元。电子设备会刺激电极周围的所有细胞，而声遗传学可让研究人员通过超声束激活特定神经元，潜在应用包括恢复视力和治疗癌症。

图为大鼠全脑冠面功能血流超声成像结果，对比注射生理盐水(左)，注射可卡因产生了明显的血流动力学改变(右)，相关结果与电生理监测趋势吻合。

编者按：“2024年度科协十大工程技术难题之一为‘以高通量多模态的方式实现脑机交互’，2025科协十大产业技术难题之一为‘脑功能评估与脑机智能闭环干预’。研制从超声脑功能成像、精准脑调控到闭环脑机相融合的超声脑科学工具有望开拓无创闭环脑机新范式，将在脑科学研究和重大脑病诊疗领域取得颠覆性技术突破。同时，得益于电磁兼容好和成像视野大的优势，超声有望成为多模态脑功能成像与脑机交互的‘信息高速公路和交互桥梁’，为科协的工程难题和产业难题提供有力解决方案。”

人工智能在其中扮演什么角色？

OpenAI表示，人工智能将“在Merge的方案中发挥核心作用”，并将脑机接口视为人类与人工智能交互的一种全新“自然”方式。OpenAI称，将与Merge合作构建科学基础模型（大规模生成式人工智能算法），助力从大脑信号中解读意图（编者按：即在AI助力下对fUS监测的脑血流图像解码，进而和脑机相结合，“从读脑到控脑”）。Valle则认为，人工智能公司对脑机接口的兴趣“始终是个疑问”。他表示，大脑数据具有极高的伦理敏感性，而人工智能公司往往更关注构建更优模型，而非恢复人类的身体功能。

相关方案的探索性有多高？

Fouragnan说，Merge Labs背后的研究人员“极为认真”，在功能超声领域，他们“对自身可实现的目标有着清晰的认知”。

但该公司自身也承认，前路漫长，称其思考维度“以数十年计，而非数年”。Valle表示，在缺乏同行评审数据或人类稳健神经解码演示的情况下，大多数研究人员会认为MergeLabs有关脑机接口的声明“更偏向愿景，而非变革性突破”。不过，凭借其庞大的投资规模，“一切皆有可能”。

编者按：无创闭环超声脑机fUS-BMI是什么？

超声作为读脑和调控脑的物理手段，其重要性不言自明。脑机接口(BMI)技术通过读取大脑信号并解码，可实现人与计算机等电子设备交互。受限于头皮EEG和fNIRS等无创BMI技术灵敏度、分辨率和穿透深度瓶颈，经典精准脑机接口技术往往要求通过手术将ECoG/DBS/sEEG或者Utah Array等颅内电极植入大脑，具有侵入性。功能超声成像(fUS)在脑功能成像方面具有非侵入性、高时空分辨率、高血流检测灵敏度和友好的电磁兼容性，以及可实现经颅大脑区观测的突出特色。发挥fUS“经颅读脑”的技术优势，在AI助力下对fUS监测的脑血流图像解码，进而和脑机接口BMI相结合，“从功能超声fUS读脑，到经颅超声调脑，再到声遗传控脑”，发展基于功能超声成像脑机接口新技术(fUS-BMI)以及相关科学工具开放平台，有望全面推进非侵入式脑机接口和闭环调控范式创新。

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