Laut der neuesten Ausgabe von Nature Neuroscience bestätigt eine neue Studie, dass die von Forschern des California Institute of Technology entwickelte Technologie des funktionellen Ultraschalls (FUS) die Grundlage für eine „Online“-Gehirn-Computer-Schnittstelle (BMI) werden kann, die die Gehirnaktivität lesen und ihre Bedeutung durch einen mit maschinellem Lernen programmierten Decoder entschlüsseln kann, wodurch ein Computer mit extrem kurzer Latenz und genauer Vorhersage von Bewegungen gesteuert wird.
Anatomische Aufnahmeebene und Verhaltensaufgaben. Bildquelle: Physicist Organization Network
Im Jahr 2021 entwickelten Caltech-Forscher eine Möglichkeit, die Gehirnaktivität mithilfe von funktionellem Ultraschall zu messen, einer viel weniger invasiven Technik.
Bei der Ultraschallbildgebung werden hochfrequente Schallimpulse ausgesendet und anschließend die Echos dieser Schallschwingungen in Materialien, beispielsweise verschiedenen Geweben im menschlichen Körper, gemessen. Schallwellen breiten sich in diesen Gewebetypen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus und werden an den Grenzen zwischen ihnen reflektiert. Diese Technologie wird häufig zur Aufnahme von Bildern eines Fötus im Mutterleib und für andere diagnostische Bildgebungszwecke verwendet.
Da der Schädel für Schallwellen undurchlässig ist, erfordert die Bildgebung des Gehirns mittels Ultraschall ein transparentes „Fenster“ im Schädel. Die Ultraschalltechnologie erfordert keine Implantation in das Gehirn selbst, wodurch das Risiko einer Infektion erheblich verringert wird und das Gehirngewebe und seine schützende Dura mater intakt bleiben.
Veränderungen in der neuronalen Aktivität können zu Veränderungen in der Nutzung von Stoffwechselressourcen wie Sauerstoff führen. Diese Ressourcen werden durch das Blut wieder aufgefüllt, was für den funktionellen Ultraschall von entscheidender Bedeutung ist. In dieser Studie verwendeten Forscher Ultraschall, um Veränderungen im Blutfluss zu bestimmten Gehirnregionen zu messen. So wie die Sirene eines Krankenwagens ihre Tonhöhe mit der Entfernung ändert, erhöhen rote Blutkörperchen die Tonhöhe der reflektierten Ultraschallwellen, wenn sie sich der Schallquelle nähern, und verringern die Tonhöhe, wenn sie sich von der Quelle entfernen.
Durch die Messung dieses Doppler-Effekts können Forscher winzige Veränderungen des Blutflusses im Gehirn in einem räumlichen Bereich von nur 100 Mikrometern Durchmesser, etwa der Breite eines Haares, aufzeichnen. Sie konnten gleichzeitig die Aktivität winziger Populationen von Nervenzellen messen, die weit über das Gehirn verteilt waren und von denen einige nur 60 Neuronen umfassten.
Die Forscher verwendeten funktionellen Ultraschall, um die Gehirnaktivität im hinteren parietalen Kortex (PPC) nichtmenschlicher Primaten zu messen, einem Bereich, der für die Planung und Unterstützung bei der Ausführung von Bewegungen verantwortlich ist. Den Tieren wurden zwei Aufgaben beigebracht: Sie bewegten ihre Hände, um einen Cursor auf dem Bildschirm zu führen, und sie bewegten ihre Augen, um bestimmte Teile des Bildschirms anzusehen. Sie müssen nur über die Ausführung der Aufgabe nachdenken, anstatt tatsächlich ihre Augen oder Hände zu bewegen, da der BMI ihre Gehirnaktivität ablesen kann.
Ultraschalldaten werden in Echtzeit an den Decoder gesendet, der dann Steuersignale generiert, um den Cursor an die gewünschte Stelle zu bewegen. BMI konnte dies bei 8 Radialzielen mit einem kleinen durchschnittlichen Fehler erfolgreich durchführen.