超音波で脳を撮像する
(alephneuro.com)- Alephは頭蓋骨を開けずに脳の血管活動を高解像度で観察する超音波ベースの脳インターフェース・ハードウェアを開発しており、MRIのように広い範囲と細かな解像度の両立を狙っている
- この方式は、ニューロンが活性化した部位により多くの血液が供給される神経血管結合を利用し、頭蓋骨を通過した超音波の散乱信号から血流と血液量のマップを作成する
- 公開された結果は、生きた人間の脳を完全な頭蓋骨越しに撮像した中で最も詳細な血管画像であり、人間の脳における経頭蓋3D超音波ローカライゼーション顕微鏡法の初事例でもある
- マイクロバブル造影剤を4分間継続注入して、比較可能なCTより体積基準で100倍高い解像度を達成したが、この超解像技術は造影剤バージョンでのみ可能
- 最終目標は無造影の神経血管超音波イメージングであり、弱い赤血球散乱信号を復元するには大規模データとend-to-end機械学習が必要になる
頭蓋骨を開けない脳活動イメージング
- 脳活動だけから人が見ている画像を復元する研究は、脳インターフェースの可能性を示してきたが、従来の例ではMRI装置が必要で、ウェアラブル機器として使いにくい
- 現在の脳インターフェース・ハードウェアは二つの極端に分かれている
- 頭蓋骨に穴を開けて電極を脳に挿入する方式
- 頭の外側からEEGで脳活動を記録するが、画像がぼやける方式
- Alephはドリル加工なしでMRIレベルの脳の詳細情報を提供する新しいハードウェアを作っている
超音波が血流から脳活動を読み取る仕組み
- このハードウェアは超音波をベースとしており、血管系とニューロンのつながりを利用する
- ニューロンが発火すると、その部位により多くの血液が供給される
- 頭蓋骨を通過した超音波は赤血球で散乱され、この信号から脳全体の血流と血液量のマップを作ることができる
汎用脳インターフェースの二つの条件
- Alephは、汎用脳インターフェースには二つの条件が必要だと見ている
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広い脳領域の観察
- 1000個の電極を使っても、脳の最大**0.001%**程度しか捉えられない
- この程度でもカーソル制御のような狭いタスクには有用だが、思考は脳全体に分散している
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高い解像度
- EEGとMEGは広い視野を持つが、脳活動の画像はぼやけている
- 電場と磁場の伝播方式に由来する根本的な限界であり、センサーを数百万個に増やしても解決しない
- 神経血管超音波はMRIのように両方の条件を満たせ、物理的には脳全体から100万個の独立ピクセルをサブミリメートルサイズで記録できる
完全な頭蓋骨を通過した初の3D血管画像
- Alephが公開した結果は、完全な頭蓋骨を通して超音波で撮像した、生きた人間の脳の最も詳細な血管画像である
- 再構成された血管ボリュームでは、大きな血管、軟膜動脈、細動脈を見ることができる
- 人間の脳で頭蓋骨を通して取得した世界初の3D超音波ローカライゼーション顕微鏡法画像である
- 比較可能なCTより体積基準で100倍高い解像度を達成した
- ただし、この数値は超解像技術を使った結果であり、この技術は造影剤ベースの神経血管超音波でのみ可能である
- Alephは、経頭蓋マイクロバブルイメージングがそれ自体の目標に加えてさまざまな応用先を持つと見ており、全パイプラインとデータセットをオープンソースとして公開した
- 脳卒中、アルツハイマー病、外傷性脳損傷は、CTやMRIの解像度では捉えられないスケールの血管シグネチャを残し、Alephはこの解像度のイメージングがその領域に到達すると見ている
マイクロバブルで回折限界を超える処理パイプライン
- マイクロバブルは超音波の回折限界を超えるために使われる
- 一般的な超音波は、およそ1波長より近い二つの物体を分離できず、より微細な構造は一つの塊のように見える
- 1つのマイクロバブルは波長幅ほどのぼやけた点として見えるが、サブピクセルフィッティングにより中心を波長よりはるかに高精度に推定できる
- 重要な変数は気泡濃度である
- 気泡を十分にまばらに注入し、各気泡のぼやけた点が互いに重ならないようにする
- 血管に沿って流れる気泡の位置を数百万個蓄積する
- これらの位置を積み重ねて、波長より細かな単一画像を作る
- 気泡は脂質シェルに包まれた六フッ化硫黄の袋で、FDA承認の造影剤である
- Alephは4分間の撮影中に気泡を継続注入する
- 気体は組織と音響インピーダンスが大きく異なるため、気泡表面で音が強く反射され、信号増強と超解像の実現の両方に寄与する
- フレーム間で気泡中心を結び付けると3D軌跡ができ、その方向と速度によって生きた微小血管系の血流を追跡できる
無造影の神経血管超音波への道筋
- Alephは造影剤ベースの結果を中間段階と見なし、最終的な到達点を無造影の神経血管脳イメージングに置いている
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ハードウェアの変化
- 過去の超音波装置は10万ドル以上し、電子機器が満載のカートを必要としていた
- Butterflyのような企業のおかげで、現在の超音波装置はスマートフォンに近い価格とサイズになりつつあり、今も改善が続いている
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データと機械学習
- 無造影イメージングはさらに難しい
- 赤血球はマイクロバブルよりはるかに弱く散乱するため、信号が弱い
- Alephは、その信号が消えたのではなく、現在の方法では十分に引き出せていないと見ている
- 標準的な超音波プローブは1時間あたりテラバイト級のデータを受け取るが、一般的な処理パイプラインではこれを元データの**0.1%**に圧縮している
- 既存のパイプラインは手作業で設計した特徴量に基づいており、Alephはこれを初期のコンピュータビジョンに近いものだと見ている
- 十分に大きなデータセットで学習したend-to-end機械学習なら、現在の方法よりはるかに多くの信号を復元できると見ている
- Alephは現在、世界最大規模だと考える神経血管超音波データセットを収集中である
1件のコメント
Hacker News のコメント
妊婦に使われる程度の低強度超音波でも、脳の微細構造に変化を引き起こす可能性があり[0]、特に軸索の髄鞘の隙間であるランヴィエ絞輪に変化が見られるという。
レビュー論文としては[1]も参考になる。
[0] Ellisman MH, Palmer DE, André MP (1987), "Diagnostic levels of ultrasound may disrupt myelination," Experimental Neurology 98:78–92
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3308504/
[1] Quarato, C.M.I., Lacedonia, D., Salvemini, M., Tuccari, G., Mastrodonato, G., Villani, R., Fiore, L.A., Scioscia, G., Mirijello, A., Saponara, A. and Sperandeo, M., 2023. A review on biological effects of ultrasounds: key messages for clinicians. Diagnostics, 13(5), p.855
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10001275/
人間が聞けるのは、可聴周波数帯が内耳の受容器を動かすからであり、この効果は耳だけに局所的にとどまるわけではないため脳全体も影響を受けるが、生物学的にはそれに合わせて適応している。
木を叩くと、人間の可聴域より下、可聴域内、そして可聴域より上の超音波まで、さまざまな周波数の音が生じる。一般により危険なのは、周波数を問わず持続的な騒音であり、特に低周波で振幅が大きい場合は体を物理的に押すことができるため有害だ。
見事な取り組みで、概念実証も興味深いが、誇張や抜けている情報がかなりあるので、批判的に見る必要がありそうだ。
最大の欠落は、既存の医療画像技術との比較・検証だ。造影剤なしの全脳神経血管イメージングは、実質的にはMRIで解決済みの領域なのに、なぜMRI撮影と比較しなかったのか気になる。
超音波が携帯可能で安価なのは確かだが、医療ワークフローでは多くの都市でMRIもかなり普及しており、費用も比較的妥当な水準で、低磁場脳MRIが携帯性とコストの問題をある程度軽減している。
この製品を装着型のテレパシーデバイスとして位置づけているようだが、差別化には合っている一方で、「動作原理を知る必要はない」というフレーミングも招き、かえって懐疑心とより高い検証基準を求めさせる。
いわゆる先進国に住んでいても、市民がMRIを1回受けるために数か月、ひどい場合は1年以上待つことは珍しくない。MRI装置だけでなく医療システム全体の問題ではあるが、装置が1〜2桁ほど安く、運用も容易になれば、アクセス性は確実に大きく改善しそうだ。
基準値との比較が必要だという点には同意するし、ここで見えている結果を検証するために、そうした作業をたくさん行っていてほしい。
MRI装置はおおよそその1,000倍くらい高い。
この高解像度画像は、脂質の殻に包まれた六フッ化硫黄のマイクロバブル造影剤を希薄に注入して作ったものだ。
その気泡がどれほど希薄なのか、私たちが見ている画像が時間とともに複数の気泡を積み重ねて合成したものなのかが気になる。
最後に気泡なしでも試したいという目標はよいが、その飛躍には「では残りのフクロウを描いてください」のような印象が強い。最初の手法は完全にマイクロバブルに依存しているのに、技術が発展中だという漠然とした話以外に、気泡なしで可能になる理由を説明していない。
赤血球のイメージングについて見ると、ここで使われている超解像手法は、気泡が希薄であることに大きく依存している。
低解像度で点が1つ、あるいは非常にまばらな点の集合を考えると、はっきり見えなくてもその位置を推定できる。電波天文学、おそらく天体測量でも一般的な手法で、圧縮センシングも一時期非常に熱い分野だった。
しかし赤血球は柔らかく奇妙な物体であり、血流をかなり密に満たしている。ChatGPTの推定では互いに約20µm離れており、毛細血管内では長さが約7µmとのことだが、もっともらしく見える。
赤血球のはるかに悪い散乱特性を除いて考えても、それほど希薄ではない。事実上、希薄性の次元をほぼ1つ失い、毛細血管全体を解像しなければならないことになるので、可能ではあるかもしれないが、はるかに難しい。残念ながら脳の毛細血管間隔は約40µmなので、結果がめちゃくちゃになる可能性もある。
記事には使用波長や基本解像度、つまり波長/2の解像度がどれくらいかは出ていない。
実現すればよいが、明確な限界を越えるもっともらしい道筋が示されていない技術のカテゴリに入れておく。
そのためには膨大なデータが必要で、今回作った装置でまさにそのデータを集めようとしているように見える。
イメージング技術そのものは素晴らしいが、ホームページは少し気恥ずかしい。
彼らが示唆しているレベルの心を読むことは、血流動態だけではそもそも復元不可能だという、かなり説得力のある論理がある。神経回路のスパイクではなく血液を記録し始めた瞬間に、次元は不可逆的に失われ、VCが「telepathy」という言葉を見て想像するものが、その変換後にも残っているかはまったく明らかではない。
手元にあるのは、近所のフードデリバリーのデータに近い。パーティーをいつ開くかといったことはかなり多く分かるが、誰が一番かっこいい服を着ていたか、夕食で何を話していたかは分からない。その情報はインターフェースを越える過程で、単に生き残らない。
情報に基づく解釈と心を読むことの間には、巨大な隔たりがある。
素朴な質問だが、音波を使うことを考えると、レイテンシの問題はないのだろうか。
Metaもこの分野に取り組んでいるので [0]、近い未来についてのオーウェル的な問いがどうしても浮かんでくる
ペットのネズミを映画館に連れて行き、友人がApple iFMRIでその映画を再スキャンしたら、DRMはまだ有効なのだろうか。それともネズミたちがDRMロックされるのだろうか
コンピュータを起動するのに虹彩だけで十分なのだろうか。それとも「すべての脳波Cookieを許可」を押す必要があるのだろうか
近所に新しいBrain Poleを設置してほしいと、地域のFlock担当者にメールできるのだろうか。暗い考えを抱いた若い男性が何人も見え、Amazonの思考カメラが荷物紛失確率の上昇を知らせてくれた
[0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...
こうしたイメージング手法はいずれもかなり複雑だ。超音波は直接接触が必要で、この手法は気泡を長時間静脈注入して初めて機能する。fMRIも、さまざまな理由から、何かに向けて狙える携帯デバイスにはなりにくい
思考との結びつきも、現実というよりSFに近い。理論上、この手法では複数領域の血流変化を見られるだろうが、それが何を意味するのか。患者が不安なのか、それとも脳に行く気泡を点滴で注入され、頭に機械を取り付けられているため緊張しているのかを区別するのは難しい
Orwellならどう思ったのか気になる
余計な恐怖をあおりたいわけではないが、超音波をこんなふうに使っても安全なのか気になる
私の理解では、基本的には高周波の音波なので大半の組織には問題ないのかもしれないが、ここでは赤血球で散乱されるというので、なぜか不安に感じる
強度、周波数、対象組織によっては超音波の影響はあり得る。別の場所で、このテーマの学術論文をいくつかリンクしていた人もいた
脳に使うのは私もためらう。少なくとも長期の動物モデル試験を徹底的に行うべきだ。哺乳類に10年間毎日適用し、対照群と比較して悪影響がないことを示す必要がある
先週はずっと超音波がすべてを解決するような感じだった
この記事の背後にいるチームは、少なくとも数カ月前の時点ではMidjourneyと一緒に仕事をしていた
血管にSF6を注入することをFDAが承認するほど安全だと誰が思ったのか、という点が興味深い
超音波造影剤として使う場合は「腫瘍の血管性を検査するために使用」されてきており、元記事での用途に近い。また「血液中で3〜8分間見え、肺を通じて呼気中に排出される」とのこと
最初に思っていたように、肝臓に集まって排出される仕組みではない
BraccoのSonoVue/LumasonやGE HealthcareのOptisonのような造影剤メーカーも多い。安全性だけで見れば、CTのヨード造影剤やMRIのガドリニウム造影剤より優れている可能性が高く、現在ではかなり確立された技術だ