功能性超聲成像（fUSI）可以提供靈敏、大規(guī)模、高分辨率的神經(jīng)成像，然而由于顱骨對超聲波的阻擋，fUSI必須通過開顱窗的方式實現(xiàn)。為了在手術(shù)室外也可以通過fUSI記錄大腦活動，一種超聲透明顱窗植入物得到應(yīng)用，成功記錄了一名成年人打游戲和彈吉他過程中的fUSI結(jié)果，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science Translational Medicine》期刊上。
測量成年人的大腦功能對于神經(jīng)和精神疾病的診斷、監(jiān)測、治療和研究至關(guān)重要。目前的大腦活動記錄技術(shù)難以平衡靈敏度、覆蓋面積、侵入性和成像過程中參與者的可移動移動性，fMRI等非侵入性方法提供全腦訪問，但靈敏度和時空分辨率有限，并限制了參與者在成像過程中的移動。頭皮腦電圖和fNIRS雖然更便攜，但信號質(zhì)量不穩(wěn)定，無法準(zhǔn)確測量深部腦功能。顱內(nèi)腦電圖和皮層腦電圖等侵入性技術(shù)提供了更高的分辨率，但涉及將電極插入顱骨下方或大腦中，限制了它們的可擴展性和功能壽命。因此，迫切需要一種能夠在侵入性和性能之間取得最佳平衡的神經(jīng)技術(shù)。
功能性超聲成像 (fUSI) 是一種新興的神經(jīng)成像技術(shù)，在功率多普勒成像的基礎(chǔ)上，fUSI通過檢測移動紅細(xì)胞的反向散射回波來測量幾厘米視野范圍內(nèi)的腦血容量變化，這些腦血容量變化與單個神經(jīng)元活動和局部場電位相關(guān)。fUSI的空間精度接近100 μm，幀速率高達(dá)10 Hz，使 fUSI能夠檢測小群神經(jīng)元的功能。fUSI的腦成像不需要使用造影劑或植入電極，成像設(shè)備位于腦的保護性硬腦膜之外；但是對于大型動物，fUSI 需要切除顱骨區(qū)域，因為這些動物的顱骨太厚，在高分辨率成像模式下超聲波無法有效穿透。
這項研究的一個重要方向是將基于fUSI的神經(jīng)成像轉(zhuǎn)化為人類被試者的腦機接口應(yīng)用，本研究設(shè)計了一個聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 顱骨替換窗口，以便可以在清醒的成年人身上非侵入性地進行fUSI，并演示了當(dāng)人類被試者在手術(shù)室外的門診環(huán)境中執(zhí)行視覺運動任務(wù)時的記錄和解碼功能性腦信號。
PMMA顱骨植入物的厚度對血流成像的影響
fUSI的腦成像是通過獲取一系列連續(xù)的功率多普勒圖像來測量腦血容量來實現(xiàn)的，這些圖像之間的時空變化通過神經(jīng)血管耦合提供了神經(jīng)活動的實時可視化。為了確定是否可以通過PMMA材料檢測到fUSI信號，首先構(gòu)建了一個超聲體模，其流道深度不斷增加（14 至 44 毫米），直徑為 280 微米的流道旨在模擬主要控制腦血流的軟腦膜動脈。比較五種不同的成像場景：無植入物、PMMA 植入物（厚度為 1、2 或 3 毫米）和鈦網(wǎng)植入物。結(jié)果表明，功率多普勒信號強度隨著 PMMA 植入物厚度的增加和鈦網(wǎng)的增加而降低。信噪比（SNR）隨成像平面的深度增加而降低，鈦網(wǎng)與無植入物相比降低了 SNR，而 PMMA 與對照組相比相似或增加。這些體外結(jié)果證實，可以通過不同厚度的顱骨植入物檢測到功率多普勒信號。
體外PMMA fUSI實驗
（圖片來自論文）
在大鼠模型中通過顱骨替換窗口進行fUSI成像
為了測試通過不同的顱骨植入材料在體內(nèi)檢測功能性腦信號的能力，在四只大鼠中進行了fUSI，在急性開顱術(shù)后將上述五種類型的植入物分別放置在它們的大腦頂部，并且在一只大鼠身上使用了被動視覺模擬任務(wù)，旨在激活視覺系統(tǒng)。與無植入物相比，整個大腦的總 fUSI 強度分別降低了35% (1 mm PMMA) 、50% (2 mm PMMA) 、64% (3 mm PMMA) 和 66% (鈦網(wǎng)) ，皮質(zhì)中的SNR 隨著網(wǎng)格和 PMMA 植入物厚度的增加而略有下降。在這五種植入條件下，我們都確定了在光刺激期間激活的外側(cè)膝狀體 (LGN) 內(nèi)的體素，當(dāng)植入物越厚，LGN 內(nèi)顯示顯著激活的體素就越少，通過鈦網(wǎng)測量到的激活最少。體外腦血管模型和嚙齒動物腦內(nèi)的體內(nèi)結(jié)果表明，PMMA 作為 fUSI 的介入材料優(yōu)于鈦網(wǎng)，并且使 PMMA 窗口盡可能安全薄將提供最佳成像性能。
大鼠PMMA fUSI實驗
（圖片來自論文）
為成年患者定制支持fUSI的顱骨植入物
為了測試通過顱骨植入物進行fUSI的可能性，招募了一名30多歲的成年男性作為被使者。在顱骨重建前約30個月，該被試者遭受了TBI，并接受了左側(cè)減壓半顱骨切除術(shù)，手術(shù)長度約為16厘米，高度約為10厘米。解剖MRI和fMRI掃描用于繪制顱骨切除術(shù)邊界內(nèi)的大腦結(jié)構(gòu)和功能性皮質(zhì)區(qū)域，根據(jù) fMRI 映射，設(shè)計和制造了一個厚度為2毫米、帶有34毫米x50毫米平行四邊形聲學(xué)透光“窗口”的PMMA定制顱骨植入物。2毫米厚的部分位于初級運動皮層、初級體感皮層和后頂葉皮層上方，環(huán)繞聲學(xué)透光窗口的PMMA植入物厚度為4 毫米。制造商計算了這種植入物設(shè)計，以提供足夠的機械性能，可用作永久顱骨替代品。
定制支持fUSI的顱骨植入物
（圖片來自論文）
通過成年被試者PMMA聲學(xué)窗口記錄fUSI
在使用聲學(xué)窗口重建顱骨后，通過fUSI對個體的大腦進行成像。使用已知的超聲換能器的顱外位置和方向以及有關(guān)fUSI和解剖MRI的體素大小的信息，手動將fUSI視野與之前的解剖MRI對齊，觀察到皮質(zhì)血管系統(tǒng)，包括沿著溝褶曲線的血管和灌溉相鄰皮質(zhì)的較小血管。根據(jù)之前的fUSI記錄會話和變薄窗口的位置，估計換能器位于左側(cè)初級軀體感覺皮層 (S1) 和上緣回 (SMG) 上方。為了檢測功能性大腦信號，被試者坐在舒適的椅子上，面朝屏幕，執(zhí)行兩個視覺運動任務(wù)。
在第一個任務(wù)中，被試者使用視頻游戲控制器操縱桿在計算機顯示器上完成“連點”拼圖 。使用一般線性模型 (GLM) 進行分析，以識別具有功能激活的體素。GLM 顯示了幾個被或未被任務(wù)調(diào)節(jié)的大腦區(qū)域，在未激活的感興趣區(qū)域1中，信號在整個運行過程中保持穩(wěn)定，在任務(wù)期間沒有顯著變化。GLM 識別的活動區(qū)域顯示出任務(wù)的正向調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為繪圖塊期間活動增加，休息塊期間活動減少。
作為邁向人腦機接口應(yīng)用的第一步，使用線性解碼器測試了從 fUSI 數(shù)據(jù)的單次試驗中解碼任務(wù)狀態(tài)（休息與連接點）的能力。使用留一交叉驗證來避免在預(yù)測的相同數(shù)據(jù)上訓(xùn)練解碼器，成功地以84.7%的準(zhǔn)確率解碼了任務(wù)狀態(tài)。
在視頻游戲任務(wù)期間實現(xiàn)fUSI成像和解碼
（圖片來自論文）
在第二項任務(wù)中，要求被試者彈吉他，同時記錄 fUSI 數(shù)據(jù)。使用GLM分析，確定了幾個任務(wù)激活的大腦區(qū)域，其中一些與連點任務(wù)期間激活的區(qū)域重疊。統(tǒng)計分析顯示三個ROI的平均差異和t分?jǐn)?shù)變化顯著，表明與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)活動變化。
在吉他彈奏任務(wù)期間實現(xiàn)fUSI成像
（圖片來自論文）
本研究通過創(chuàng)新的頭骨替代材料，成功實現(xiàn)了高分辨率、非侵入性的人腦功能超聲成像，為神經(jīng)科學(xué)研究和臨床應(yīng)用開辟了新的道路，也為未來的腦機接口應(yīng)用和神經(jīng)成像提供了新的可能性。未來，fUSI技術(shù)有望在神經(jīng)疾病的診斷和治療中發(fā)揮重要作用。
文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adj3143
