透过颅骨“看见”大脑：神经血管超声成像的突破

背景

几年前，一篇论文震惊了科学界：仅凭大脑活动，就能解码出一个人正在看什么。这一发现展示了“心灵感应”式未来的些许端倪，但其代价高昂且笨重——它需要依赖 MRI（磁共振成像）机器，而 MRI 显然无法佩戴在头上。

事实上，整个脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）领域面临的首要瓶颈是硬件。目前的技术处于两个极端：要么钻透头骨，将电极直接插入大脑（侵入式）；要么通过 EEG（脑电图）在头骨外部记录模糊的大脑活动图像（非侵入式）。

我们一直在研发一种新型硬件，它无需钻孔，却能提供 MRI 级别的大脑细节。这项技术基于超声波，利用血管系统与神经元之间的联系——当神经元放电时，更多的血液会被输送到这些神经元。我们将超声波穿过颅骨发送出去，声波会在红细胞上发生散射。随后，我们可以绘制出全脑的血流和血容量图。

核心内容

通用型脑机接口需要满足两个核心要求：

1. 覆盖范围：必须能够观察到大脑的大部分区域。即使使用 1000 个电极，最多也只能捕捉到大脑 0.001% 的活动。这对于控制光标等狭窄任务很有用，但思维是分布在整个大脑中的。
2. 细节（分辨率）：EEG 和 MEG（脑磁图）等技术虽然视野广阔，但捕捉到的大脑活动图像非常模糊。这是由电场和磁场传播方式决定的根本性物理限制，单纯增加数百万个传感器也无法解决这一问题。

神经血管超声（Neurovascular Ultrasound）——正如 MRI 一样——同时满足了上述两个要求。物理学原理允许我们在整个大脑中记录一百万个独立的像素，每个像素小于 1 毫米。在过去几年中，当头骨被移除时，该技术已经产生了令人惊叹的结果。但真正的挑战在于如何在头骨完整的情况下实现这一目标。

里程碑：首次活体人类颅骨内高分辨率成像

今天，我们分享了一个里程碑式的成果：据我们所知，这是通过颅骨利用超声波捕获的活体人类大脑最详细的血管图像。

我们可以清晰地看到大血管、软脑膜动脉（pial arteries）以及微动脉。这是世界上首个在人类大脑中通过颅骨实现的超声定位显微镜（Ultrasound Localization Microscopy）3D 图像，其体积分辨率比同等级的 CT（计算机断层扫描）高出 100 倍。

我们知道，经颅微泡成像的应用将远超我们目前的工作范围。因此，我们开源了整个处理流程以及数据集。中风、阿尔茨海默病、创伤性脑损伤等疾病会在 CT 和 MRI 无法解析的尺度上留下血管特征，我们预计这种分辨率的成像将有助于诊断这些疾病。

微泡处理流程：突破衍射极限

微泡（Microbubbles）让我们得以突破衍射极限。超声波通常无法区分距离小于一个波长的两个物体——任何更细微的结构都会坍缩成一个单一的模糊团块。

诀窍在于浓度控制。如果注射的微泡足够稀疏，使得它们的信号团块不重叠，我们就可以比波长本身更精确地定位每个微泡的中心。随着微泡在血管中流动，我们累积了数百万个这样的位置点，并将它们堆叠成一张单一图像，其细节精细度超越了波长限制。

这些微泡本身是由脂质外壳包裹的六氟化硫（Sulfur Hexafluoride）气袋。它们是 FDA 批准的造影剂，我们在 4 分钟的采集过程中持续注入它们。由于气体的声阻抗与组织差异巨大，声波会在每个微泡表面产生强烈的反射——这不仅增强了信号，还实现了超分辨率成像。

迈向无造影剂的神经血管成像

我们基于造影剂的增强结果是迈向无造影剂神经血管成像旅程中的一步。它们让我们确信，通过完整颅骨实现血管细节成像在理论上是可行的。而真正的目标是实现无造影剂的大脑神经血管成像。

两个趋势让我们对实现这一目标充满信心：

1. 硬件进步：过去的超声波设备成本超过 10 万美元，且需要装满电子设备的推车。如今，得益于 Butterfly 等公司的创新，其价格和体积已接近智能手机，且性能不断提升。
2. 数据与算法：无造影剂成像更难，因为红细胞散射的信号远弱于微泡。但这种信号并未消失，只是现有的方法未能提取出来。标准超声探头每小时接收 TB 级的数据，但典型的处理流程将其压缩至原始数据的 0.1%。这种基于手工工程特征的处理方式让人联想到早期的计算机视觉。我们相信，在足够大的数据集上训练端到端机器学习模型，将能恢复出远超当前方法所能看到的信号。

因此，我们目前正在收集据信是全球最大的神经血管超声数据集。我们期待分享接下来的进展。

关键要点

• 技术原理：利用神经元放电导致局部血流增加的神经血管耦合机制，通过超声波穿过颅骨，捕捉红细胞散射信号来绘制全脑血流图。
• 突破点：首次通过完整颅骨实现了活体人类大脑的超分辨率 3D 血管成像，分辨率比 CT 高 100 倍，能清晰分辨微动脉等细微结构。
• 超分辨率技术：采用 FDA 批准的微泡造影剂，通过稀疏注射和信号定位堆叠技术，突破超声波的物理衍射极限。
• 开源贡献：公开了完整的微泡处理流程和数据集，旨在推动中风、阿尔茨海默病等疾病的早期诊断研究。
• 未来方向：致力于开发无造影剂的成像技术，依赖更先进的硬件（如便携式超声设备）和端到端机器学习算法来提取微弱的红细胞散射信号。
• 行业痛点：解决了现有脑机接口硬件要么侵入性强（需钻孔），要么分辨率低（如 EEG）的两难困境，提供了非侵入式且高细节的替代方案。

意义与影响

这项技术标志着非侵入式脑机接口硬件的重大飞跃。长期以来，脑科学研究和临床诊断在“高分辨率”与“非侵入性”之间难以兼得：MRI 和 fMRI 提供高分辨率但设备庞大且昂贵；EEG 便携但分辨率极低；侵入式电极精度高但风险大。

神经血管超声通过结合超声波的穿透性、微泡的超分辨率技术以及 AI 数据处理能力，填补了这一空白。它不仅为理解大脑活动提供了前所未有的窗口，也为神经退行性疾病和脑血管疾病的早期检测提供了新的工具。通过开源数据集和处理管道，该团队有望加速整个神经科学领域的技术迭代，推动脑机接口从实验室走向更广泛的临床应用。