近日， Mikhail G. Shapiro，Sumner L. Norman， Richard A. Andersen，Charles Liu等人在成年人头颅重建手术后植入一种聚合物颅窗，这使得研究人员能够通过功能性超声成像技术（fUSI），精确测量该个体在执行特定任务时的大脑活动。这项技术能在非侵入性条件下，高灵敏度地记录大脑活动。研究在执行特定任务时成功映射和解码大脑活动，为理解大脑功能开辟了新视角。
他们的成果发表在最新一期的Science Translation Medicine杂志上，名为 “Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window”
fUSI技术填补了侵入性与非侵入性大脑成像方法的差距。它通过监测红血球的变化来探测脑血流量，无需辐射或侵入性措施，适用于多种生物模型和人类。fUSI技术在精确测量脑功能方面具备高分辨率和实时监控的优势，展示了在脑机界面领域的应用潜力。
1. PMMA颅骨植入物可以根据不同的厚度
进行血流成像
通过fUSI脑成像技术，作者团队通过捕获功率Doppler图像序列来量化脑血容量（图1A），并利用这些图像时空变化实时可视化神经活动。研究设计了模拟人脑血流的超声波幻象，探索PMMA和钛网状植入物对fUSI信号检测的影响（图2A，B，C）。实验结果表明，不同厚度的植入物均能检测到功率多普勒信号，但信噪比随深度和植入物类型变化（图2D，E，F）。
图1 定制颅窗实现了非侵入性功能性超声成像（fUSI）。2. 通过在啮齿动物的颅骨中设置置换窗口，
实现对其大脑的fUSI成像
为了测试不同颅骨植入物对检测大脑信号的影响，作者在四只大鼠中进行了研究。将五种植入物置于大脑顶部，通过fUSI评估结果（图2G）。结果显示，与无植入物相比，PMMA和钛网植入物显著减少了fUSI强度（图2J）。信噪比随植入物厚度增加而略有下降（图2K）。视觉刺激激活的体素数量随植入物厚度增加而减少，钛网效果最差（图2L）。整体结果表明，PMMA优于钛网，且应尽可能薄以获得最佳成像性能。
图2聚合物颅骨替换材料能够支持在血流模型和活体大鼠中进行功能性超声成像（fUSI）的应用。3. 在头骨重建之前，可以通过人头皮获得
Power Doppler图像
为了测试慢性颅窗口进行fUSI的可行性，作者招募了一名三十多岁的成年男性参与者。参与者在约30个月前接受了左侧减压半颅切除术（图1B）。在颅骨重建前，使用Power Doppler超声通过完整的头皮进行成像，显示了大脑血管的典型图像（图3C）。尽管无法收集功能性数据或将超声图像与解剖MRI共同注册，高质量血管图像证明了fUSI通过完整头皮成像的可行性，激励了进一步的声学窗口设计和测试。
图3在减压颅骨切除术并用定制的PMMA颅骨植入物重建后，fUSI可以通过完整的头皮进行血管成像。4. 带有2毫米厚PMMA窗口的定制颅骨
植入物支持功能成像
为了成功检测定制颅骨植入物的功能信号，作者与主治医生和制造商合作设计了一个声学窗口。在fMRI研究中，作者确定了手指敲击任务的皮质反应区（图3，A和B）。基于fMRI结果，设计并制造了一个2毫米厚、34毫米x50毫米的PMMA定制颅骨植入物，覆盖初级运动皮层、初级体感皮层和后顶叶皮层（图3，D和E）。周围区域的PMMA厚度为4毫米，确保了足够的机械性能，适合作为永久头骨替代品。
5. PMMA声学窗口允许通过人类参与者的
颅骨进行fUSI记录
在声学窗口重建头骨后（图3，E和F），作者使用fUSI对个体大脑进行了成像（图3G）。通过实时解剖B模式超声成像定位稀释窗口边界，使用定制盖子将超声波传感器稳固放置在2毫米厚的声学窗口上方。作者手动将fUSI视野与解剖MRI对齐，观察皮质血管细节（图3G）。
传感器位于左侧初级体感皮层（S1）和上缘回（SMG）上方。S1处理躯体感觉信号，SMG在掌握和工具使用中发挥作用。为检测功能性大脑信号，参与者执行两项视觉运动任务（图4A）。在第一个任务中，参与者在100秒的休息和50秒的任务块中完成“连接点”拼图（图4B）。GLM分析显示未激活区（ROI 1）在任务期间无显著变化，而活动区（ROI 2）在任务期间信号显著增加（图4，C和D）。
作者进行了600微米半径的探照灯分析，显示信息量最大的体素分布（图4E）。使用线性解码器解码任务状态，准确率达84.7%（图4F）。
在第二项任务中，参与者在录制fUSI数据时弹吉他（图5A）。休息期间参与者闭眼放松，任务期间即兴或记忆演奏音乐（图5B）。GLM分析显示多个任务激活的大脑区域（图5，C和D）。由于数据有限，作者未能进行解码。
图4 PMMA颅窗口允许在视频游戏任务期间进行非侵入性fUSI成像和解码
图5 PMMA颅骨植入物允许fuSI检测吉他演奏期间的大脑活动。总结
与fMRI等技术相比，fUSI具有更高的灵敏度、分辨率和便携性。本研究通过聚合物声学窗口在非手术环境中对清醒个体进行fUSI成像，成功解码了任务相关的大脑状态，开创了人类超声波脑机界面。现有CT和MRI监测灵敏度低且价格高，而fUSI结合声学窗口可实现术后常规监测和TBI患者功能连接性评估。尽管目前便携性和视野有限，但fUSI显示了巨大的临床和科研潜力，为脑损伤患者提供了新的治疗和研究途径。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/scitranslmed.adj3143
参考文献
Rabut C, Norman SL, Griggs WS, et al. Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window. Sci Transl Med. 2024;16(749):eadj3143. doi:10.1126/scitranslmed.adj3143
