原創 Elena Renken 酷炫腦

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以下為朗讀小姐姐全文音訊

作者 | Elena Renken

翻譯 | Caroline

審校 | 酷炫腦主創

朗讀 | 鴿仔

美工 | Jenny

編輯 | 加薪

影象技術的發展讓我們找到了通往大腦的新途徑。

巴黎醫學物理實驗室副主任馬蒂厄·佩爾諾（Mathieu Pernot）說，大腦的生命線，它的血管網路，就像一棵樹。樹幹從頸部的頸動脈開始，是一對寬闊的通道，然後分成分支，爬到大腦的各個區域。這些通道無休止地分叉成一個由微小血管組成的網路，形成一種天幕。這些血管中最窄的寬度只夠一個紅細胞透過。在整體層面而言，這些血管類似於樹的葉子。

佩爾諾說：“當你想研究‘樹的病理’時，通常你不會在樹上看到病症，而是在葉子上。”就像樹葉一樣，大腦中最微小的血管往往首先記錄下神經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。

大腦血管網路

影象技術的發展顯示了過去成像技術無法到達的大腦深層區域的活動。

標準超聲在臨床成像中很受歡迎，因為它的微創性、實時性和便攜性，並且具備較低的成本。但這項技術本身很少用於研究大腦，部分原因是由於頭骨的阻礙（骨頭往往會散射超聲波），而且該技術太慢，無法檢測支援大多數大腦功能的小動脈中的血流。

因此，神經學家大多將其用於檢查新生兒，他們的頭骨在骨板之間有縫隙，或指導外科醫生進行一些腦部手術，在這些手術中通常要切除部分頭骨。神經科學研究人員還利用它來研究大腦兩個半球之間的功能差異，其依據是主要腦動脈的成像，方法是將裝置放在顳骨窗上，即頭骨最薄的地方。

但與標準超聲相比，超快超聲的速度是成倍的，功率更大，空間更敏感。如果說傳統的超聲波就像從一個鑰匙孔裡偷看，那麼超高速超聲波就像 “打開了整扇門”。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校研究超聲波技術的神經科學家宋說，它不僅可以幫助醫生更早地診斷出衰弱的腦部疾病，如腦癌或阿爾茨海默氏症，還可以幫助從事動物模型研究的神經科學家解決重大研究問題，並加速非侵入性腦機介面的開發，如機器人四肢。

宋說：“如果你談論神經科學和大腦如何工作，有很多未知的東西。超速超聲可以非常精確地追蹤大腦訊號，記錄電路和細胞組在大腦執行從感知到決策的功能時如何互動。”

功能性超聲成像透過回聲定位的過程發揮作用，這與蝙蝠用於導航的過程相同。超聲波的音調太高，人類無法聽到，它與體內的組織或細胞發生碰撞並反射出去。然後它們的回聲可以被捕獲，並用於計算血細胞的位置和速度。返回的超聲波的頻率揭示了血液在哪裡流動，為工作特別努力的大腦區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物質。這些影象使研究人員和臨床醫生能夠了解到大腦的哪些部分是活躍的——例如，負責決策的區域——或者哪些部分可能有受損的風險。

在過去十年左右，計算機處理能力的進步使研究人員能夠改變超聲技術。這些較新的超聲系統不再發射單獨的光束，而是發出一系列的平面波——一個共同形成平面的超聲光束陣列——以不同的角度擊中目標。由此產生的影象是比傳統的超聲波、核磁共振或CT掃描更清晰的多個數量級的合成物，而沒有其他成像方法所面臨的折衷。

例如，核磁共振機器需要非常強大和昂貴的磁鐵來提高其解析度。新形式的超聲也可以比傳統的超聲工具快100倍，這在醫療緊急情況下特別有用，因為時間是至關重要的。佩爾諾說，這樣的速度使超聲能夠在癲癇發作時進行追蹤。

加州理工學院的博士後撒姆納·諾曼（Sumner Norman）說：“即使在幾年前，這種型別的資料吞吐量也是巨大的，所以你不可能用它做什麼。但隨著計算機能力趕上需求，超高速超聲變得更加可行。”在宋的實驗室裡，他們的三維超聲成像需要大約10兆位元組的資料來對每個實驗動物的大腦進行三維成像——這與標準清晰度的Netflix流媒體播放1萬小時所需的數量相同。

大腦中的氣泡：超聲定位顯微鏡透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解析度影象。

現在，研究人員擁有了創造這種高速、精細影象的計算能力，他們還可以跟蹤細胞的長期運動。巴黎文理研究大學的麥克爾·坦特實驗室8月發表的研究報告在微觀層面上描述了整個大鼠大腦的活動。這些影象顯示了大腦深處光成像無法到達的區域的活動，而且細節驚人——比核磁共振或CT掃描的解析度細得多。這些圖片顯示了從一秒到一秒的活動，其尺度可達幾千毫米。

在人類身上，超聲研究人員正在尋找創造性的方法來繞過頭骨的障礙。日內瓦大學的法比安·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並散射，但那些透過的波在反彈到氣泡時更有可能反射出來。在CT掃描只顯示一個圓球的情況下，超聲成像使該團隊能夠放大，直到他們能夠準確地確定一個隆起的血管內的湍流。坦特的實驗室還透過新生兒顱骨板之間的縫隙傳送超聲波訊號，記錄癲癇發作和睡眠期間的大腦活動。

科學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裝置替換了一塊多米諾骨牌大小的頭骨。大腦中計劃運動的一個部分的活動影象顯示了猴子何時打算移動手臂。事實上，他們可以預測大約89%的時間的運動方向。這與在頭皮上植入電極的方法類似，這種方法可以準確預測大約70%至90%的時間的運動方向。

微氣泡

你不可能把核磁共振成像機器推到戰場上。但你可以設計一個手持裝置。

但是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。而研究人員預計，迅速加速的超聲能力將帶來改進。這些發現去年發表在《神經元》雜誌上，可能為將思想轉化為行動的機器人肢體鋪平道路。超聲波成像可以讀取大腦活動，揭示出一個人想要如何將他們的手向左移動，而這些資料可以被輸入控制機器人手臂的計算機。

超快超聲也可以幫助外科醫生，因為他們在手術前通常會移除骨頭碎片。華盛頓大學神經外科助理教授辛康現在正在脊柱手術患者身上測試增強型超聲波。“如果你今天受傷了，”她說， “你或許會做一個CT或X光，也許還有核磁共振。但這些只產生解剖學影象。它只是告訴你所有的碎片在哪裡，以及什麼東西在擠壓你的軟脊髓組織，而追蹤血流的成像並不不會被包含在內。”

在她的試點臨床試驗中，超高速超聲被用於手術室，以便醫生能夠跟蹤血液的流動。康的目標是繪製哪些組織仍有血流，這樣醫生就能知道哪些是可以挽救的，哪些區域仍然腫脹。她希望超聲可以指導手術，即使在資源較少的地區。“你不能把核磁共振機器推到戰爭環境中，對嗎？但你可以有一個手持式超聲裝置，”她說。此外，她還想象出了比探頭更容易使用的超聲技術：更像一個創可貼的東西。麻省理工學院的研究人員已經開發出薄薄的超聲波貼紙，無需醫生手持超聲波棒就能長期監測器官。

在巴黎醫學物理實驗室，佩爾諾希望科學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償望遠鏡鏡片的缺陷一樣，他們也可以使用一種演算法來調整頭骨散射超聲訊號的方式。杜克大學的研究人員姚俊傑說，繪製頭骨確切幾何形狀的X射線可以指導一個關於頭骨如何扭曲超聲波的模型，他開發了同時使用超聲波和光成像的技術。這個模型可以用來糾正超聲影象，使它們看起來沒有扭曲，就像那裡根本沒有任何頭骨一樣。“我不會說不可能克服頭骨的障礙，但這將是一個極具困難的挑戰，”姚俊傑補充說。

超聲波成像仍然在快速發展，新的想法每天都在湧現。諾曼對他的工作進展之快印象深刻——僅僅幾年時間，他就從小型動物試驗轉向大型動物實驗，並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算機。他說：“通常情況下，當你開始一項新技術時，你需要花費數十年的時間才能使它發揮作用。但是當計算機處理速度加快時，超高速超聲的好處變得很明顯。

現在，研究人員可以跟隨血液的河流深入到大腦。”坦特也說：“我們將因為成像技術的發展來進入一個新的世界。”

AI輔助的CT成像技術

參考文獻（點選滑動檢視）

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原標題：《通往大腦的新途徑：超聲波成像》