? 圖像技術(shù)的發(fā)展讓我們找到了通往大腦的新途徑。巴黎醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室副主任馬蒂厄·佩爾諾（Mathieu Pernot）說，大腦的生命線，它的血管網(wǎng)絡(luò)，就像一棵樹。樹干從頸部的頸動脈開始，是一對寬闊的通道，然后分成分支，爬到大腦的各個(gè)區(qū)域。這些通道無休止地分叉成一個(gè)由微小血管組成的網(wǎng)絡(luò)，形成一種天幕。這些血管中最窄的寬度只夠一個(gè)紅細(xì)胞通過。在整體層面而言，這些血管類似于樹的葉子。

佩爾諾說：“當(dāng)你想研究‘樹的病理’時(shí)，通常你不會在樹上看到病癥，而是在葉子上?！本拖駱淙~一樣，大腦中最微小的血管往往首先記錄下神經(jīng)元和突觸活動的變化，包括疾病，如癌性腦瘤的新生長。這就是所謂的超高速超聲。

大腦血管網(wǎng)絡(luò)

? 圖像技術(shù)的發(fā)展顯示了過去成像技術(shù)無法到達(dá)的大腦深層區(qū)域的活動。標(biāo)準(zhǔn)超聲在臨床成像中很受歡迎，因?yàn)樗奈?chuàng)性、實(shí)時(shí)性和便攜性，并且具備較低的成本。但這項(xiàng)技術(shù)本身很少用于研究大腦，部分原因是由于頭骨的阻礙（骨頭往往會散射超聲波），而且該技術(shù)太慢，無法檢測支持大多數(shù)大腦功能的小動脈中的血流。

因此，神經(jīng)學(xué)家大多將其用于檢查新生兒，他們的頭骨在骨板之間有縫隙，或指導(dǎo)外科醫(yī)生進(jìn)行一些腦部手術(shù)，在這些手術(shù)中通常要切除部分頭骨。神經(jīng)科學(xué)研究人員還利用它來研究大腦兩個(gè)半球之間的功能差異，其依據(jù)是主要腦動脈的成像，方法是將設(shè)備放在顳骨窗上，即頭骨最薄的地方。

? 但與標(biāo)準(zhǔn)超聲相比，超快超聲的速度是成倍的，功率更大，空間更敏感。如果說傳統(tǒng)的超聲波就像從一個(gè)鑰匙孔里偷看，那么超高速超聲波就像 "打開了整扇門"。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校研究超聲波技術(shù)的神經(jīng)科學(xué)家宋說，它不僅可以幫助醫(yī)生更早地診斷出衰弱的腦部疾病，如腦癌或阿爾茨海默氏癥，還可以幫助從事動物模型研究的神經(jīng)科學(xué)家解決重大研究問題，并加速非侵入性腦機(jī)接口的開發(fā)，如機(jī)器人四肢。

? 宋說："如果你談?wù)撋窠?jīng)科學(xué)和大腦如何工作，有很多未知的東西。超速超聲可以非常精確地追蹤大腦信號，記錄電路和細(xì)胞組在大腦執(zhí)行從感知到?jīng)Q策的功能時(shí)如何互動。"

功能性超聲成像通過回聲定位的過程發(fā)揮作用，這與蝙蝠用于導(dǎo)航的過程相同。超聲波的音調(diào)太高，人類無法聽到，它與體內(nèi)的組織或細(xì)胞發(fā)生碰撞并反射出去。然后它們的回聲可以被捕獲，并用于計(jì)算血細(xì)胞的位置和速度。返回的超聲波的頻率揭示了血液在哪里流動，為工作特別努力的大腦區(qū)域提供氧氣和葡萄糖，或者相反，揭示大腦的哪些部分沒有得到它們需要的血液和營養(yǎng)物質(zhì)。這些圖像使研究人員和臨床醫(yī)生能夠了解到大腦的哪些部分是活躍的--例如，負(fù)責(zé)決策的區(qū)域--或者哪些部分可能有受損的風(fēng)險(xiǎn)。

在過去十年左右，計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)步使研究人員能夠改變超聲技術(shù)。這些較新的超聲系統(tǒng)不再發(fā)射單獨(dú)的光束，而是發(fā)出一系列的平面波--一個(gè)共同形成平面的超聲光束陣列--以不同的角度擊中目標(biāo)。由此產(chǎn)生的圖像是比傳統(tǒng)的超聲波、核磁共振或CT掃描更清晰的多個(gè)數(shù)量級的合成物，而沒有其他成像方法所面臨的折衷。

例如，核磁共振機(jī)器需要非常強(qiáng)大和昂貴的磁鐵來提高其分辨率。新形式的超聲也可以比傳統(tǒng)的超聲工具快100倍，這在醫(yī)療緊急情況下特別有用，因?yàn)闀r(shí)間是至關(guān)重要的。佩爾諾說，這樣的速度使超聲能夠在癲癇發(fā)作時(shí)進(jìn)行追蹤。

? 加州理工學(xué)院的博士后撒姆納·諾曼（Sumner Norman）說：“即使在幾年前，這種類型的數(shù)據(jù)吞吐量也是巨大的，所以你不可能用它做什么。但隨著計(jì)算機(jī)能力趕上需求，超高速超聲變得更加可行?！痹谒蔚膶?shí)驗(yàn)室里，他們的三維超聲成像需要大約10兆字節(jié)的數(shù)據(jù)來對每個(gè)實(shí)驗(yàn)動物的大腦進(jìn)行三維成像--這與標(biāo)準(zhǔn)清晰度的Netflix流媒體播放1萬小時(shí)所需的數(shù)量相同。

大腦中的氣泡：超聲定位顯微鏡通過將超聲波從注入血液中的微觀氣泡中反彈來拍攝大腦中血流的高分辨率圖像

? 現(xiàn)在，研究人員擁有了創(chuàng)造這種高速、精細(xì)圖像的計(jì)算能力，他們還可以跟蹤細(xì)胞的長期運(yùn)動。巴黎文理研究大學(xué)的麥克爾·坦特實(shí)驗(yàn)室8月發(fā)表的研究報(bào)告在微觀層面上描述了整個(gè)大鼠大腦的活動。這些圖像顯示了大腦深處光成像無法到達(dá)的區(qū)域的活動，而且細(xì)節(jié)驚人--比核磁共振或CT掃描的分辨率細(xì)得多。這些圖片顯示了從一秒到一秒的活動，其尺度可達(dá)幾千毫米。

在人類身上，超聲研究人員正在尋找創(chuàng)造性的方法來繞過頭骨的障礙。日內(nèi)瓦大學(xué)的法比安·佩倫及其同事使用了一種造影劑--注入病人血液中的微氣泡。一些波仍然與頭骨碰撞并散射，但那些通過的波在反彈到氣泡時(shí)更有可能反射出來。在CT掃描只顯示一個(gè)圓球的情況下，超聲成像使該團(tuán)隊(duì)能夠放大，直到他們能夠準(zhǔn)確地確定一個(gè)隆起的血管內(nèi)的湍流。坦特的實(shí)驗(yàn)室還通過新生兒顱骨板之間的縫隙發(fā)送超聲波信號，記錄癲癇發(fā)作和睡眠期間的大腦活動。

? 科學(xué)家們還可以切除一小塊頭骨，以方便用超聲波工作。諾曼和他的同事用超聲波設(shè)備替換了一塊多米諾骨牌大小的頭骨。大腦中計(jì)劃運(yùn)動的一個(gè)部分的活動圖像顯示了猴子何時(shí)打算移動手臂。事實(shí)上，他們可以預(yù)測大約89%的時(shí)間的運(yùn)動方向。這與在頭皮上植入電極的方法類似，這種方法可以準(zhǔn)確預(yù)測大約70%至90%的時(shí)間的運(yùn)動方向。

微氣泡

? 你不可能把核磁共振成像機(jī)器推到戰(zhàn)場上,但你可以設(shè)計(jì)一個(gè)手持設(shè)備。超聲成像能更好地檢測大腦深處的活動，而頭皮上的電極很難檢測到。電極的侵入性也大得多，可能會造成組織損傷。而研究人員預(yù)計(jì)，迅速加速的超聲能力將帶來改進(jìn)。這些發(fā)現(xiàn)去年發(fā)表在《神經(jīng)元》雜志上，可能為將思想轉(zhuǎn)化為行動的機(jī)器人肢體鋪平道路。超聲波成像可以讀取大腦活動，揭示出一個(gè)人想要如何將他們的手向左移動，而這些數(shù)據(jù)可以被輸入控制機(jī)器人手臂的計(jì)算機(jī)。

? 超快超聲也可以幫助外科醫(yī)生，因?yàn)樗麄冊谑中g(shù)前通常會移除骨頭碎片。華盛頓大學(xué)神經(jīng)外科助理教授辛康現(xiàn)在正在脊柱手術(shù)患者身上測試增強(qiáng)型超聲波。"如果你今天受傷了，"她說， “你或許會做一個(gè)CT或X光，也許還有核磁共振。但這些只產(chǎn)生解剖學(xué)圖像。它只是告訴你所有的碎片在哪里，以及什么東西在擠壓你的軟脊髓組織，而追蹤血流的成像并不不會被包含在內(nèi)?！?/p>

在她的試點(diǎn)臨床試驗(yàn)中，超高速超聲被用于手術(shù)室，以便醫(yī)生能夠跟蹤血液的流動?？档哪繕?biāo)是繪制哪些組織仍有血流，這樣醫(yī)生就能知道哪些是可以挽救的，哪些區(qū)域仍然腫脹。她希望超聲可以指導(dǎo)手術(shù)，即使在資源較少的地區(qū)。"你不能把核磁共振機(jī)器推到戰(zhàn)爭環(huán)境中，對嗎？但你可以有一個(gè)手持式超聲設(shè)備，"她說。此外，她還想象出了比探頭更容易使用的超聲技術(shù)：更像一個(gè)創(chuàng)可貼的東西。麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出薄薄的超聲波貼紙，無需醫(yī)生手持超聲波棒就能長期監(jiān)測器官。

? 在巴黎醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，佩爾諾希望科學(xué)家能夠糾正頭骨對超聲波的影響。他說，就像研究人員可以補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡鏡片的缺陷一樣，他們也可以使用一種算法來調(diào)整頭骨散射超聲信號的方式。杜克大學(xué)的研究人員姚俊杰說，繪制頭骨確切幾何形狀的X射線可以指導(dǎo)一個(gè)關(guān)于頭骨如何扭曲超聲波的模型，他開發(fā)了同時(shí)使用超聲波和光成像的技術(shù)。這個(gè)模型可以用來糾正超聲圖像，使它們看起來沒有扭曲，就像那里根本沒有任何頭骨一樣。"我不會說不可能克服頭骨的障礙，但這將是一個(gè)極具困難的挑戰(zhàn)，"姚俊杰補(bǔ)充說。

超聲波成像仍然在快速發(fā)展，新的想法每天都在涌現(xiàn)。諾曼對他的工作進(jìn)展之快印象深刻--僅僅幾年時(shí)間，他就從小型動物試驗(yàn)轉(zhuǎn)向大型動物實(shí)驗(yàn)，并展示了超聲在讀取大腦活動方面的潛力，這些活動可以輸入計(jì)算機(jī)。他說："通常情況下，當(dāng)你開始一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，你需要花費(fèi)數(shù)十年的時(shí)間才能使它發(fā)揮作用。但是當(dāng)計(jì)算機(jī)處理速度加快時(shí)，超高速超聲的好處變得很明顯。

? 現(xiàn)在，研究人員可以跟隨血液的河流深入到大腦。"坦特也說：“我們將因?yàn)槌上窦夹g(shù)的發(fā)展來進(jìn)入一個(gè)新的世界?！?/p>

AI輔助的CT成像技術(shù)

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Source:?https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20483395