脑科学的最大障碍：收集更好的数据而又不杀人

 
历史上，还没有安全，无创和/或有效的深度渗透方法可在体内调节人脑，从而刺激或抑制活人的某些大脑进程。然而，超声提供了一种有前途的方法，尤其是与其他非侵入性技术结合使用时。
超声波(数十年来已被证明的技术，可以将来自体内组织的高频声波的回波转换成超声图像)可以安全地穿透人的头骨并聚焦在大脑的不同区域，从而探测反应。穿透力约为几厘米，可以覆盖整个大脑。超声方法的弱点在于焦点在1cm的数量级上，它不像某些侵入性技术那样具有选择性。另外，用超声波探测大脑的机制目前仍是未知的，并且调制方法的控制仍然是一个挑战。
尽管如此，超声已经被确立为一种安全的方式，可以诱发热和机械效应，从而进入大脑的底层电路，其与其他非侵入性方法相结合的战略应用显示出在治疗癌症方面取得突破的真正潜力，肿瘤，精神病学，运动神经疾病，以及通过大脑调节的各种疾病。下一步是整理来自神经病学和生物医学工程界的更多参与和实验。
仍然是个谜
大脑是决定整个身体功能的独特器官，但是今天，我们仍然还不十分了解它是如何工作的。
目前尚无法提供安全地绘制完整的，详细的人类大脑活图的技术，包括所有细胞，所有电路。需要低至细胞水平的分辨率(大约数十微米)。尽管可以通过光学成像获得该功能，但它仅在一毫米的头部深度之内，因此仅到达大脑表面。为了获得更深的图像，必须引入电极。但是这样做会改变甚至损坏大脑，削弱了侵入性电极对理解健康人脑的有用性。
当前的非侵入性技术存在其自身的权衡：能够提供足够分辨率的模式会受到其探测深度的严重限制。达到足够深度的其他非侵入性方法会限制其提供的图像分辨率。
了解技术选择
大脑的超声检查并不新鲜。自从第二次世界大战以来，医学超声就已经出现了，大脑是超声成像的第一器官。超声波可以穿过颅骨，从而在浮肿或意外情况下为我们提供一些有关大脑容量或大脑中更多潜在液体的信息。
但是，当超声波探头的深度向上到数十厘米(足够深以绘制整个大脑的图)时，它无法提供所需的逐个单元的详细信息。 Ultrasound专注于几毫米的数量级，其粒度不比至少数百个脑细胞细。确实，由于其局限性，超声倾向于被视为医学成像的最后手段。然而，其他非侵入性技术在与活人脑一起工作方面也有其缺点。
计算机断层扫描(CT)扫描是有价值的，但不能完全依靠它来进行体内的大脑调节，在CT扫描中集成了多个X射线图像以生成体内的横截面图像。 X射线会引入电离辐射，因此，如果使用过多，CT扫描会损坏大脑和周围的其他组织。
由于它不依赖X射线，因此磁共振成像(MRI)更有利于大脑调节。功能性MRI程序(fMRI)对于挖掘大脑电路，查看血流和探索血液动力学反应特别有价值。但是，就探测组织而言，MRI的有效性受到限制。
战略组合方法
我们在哥伦比亚大学开发的一种方法将超声，MRI和脑电图(EEG)集成在一起，其中电极和头皮一起记录大脑中的电活动。在MRI中集成EEG电极并非易事，因为要处理的干扰和磁场太多。但是，通过滤除所有这些噪声并让EEG在fMRI响应内共定位，我们基本上可以与超声同时探测大脑。波被照进大脑以机械或什至热刺激或抑制电路。
在过去的十年中，通过MRI引导的超声已被证明具有可重现性，足够的安全性和足够的可靠性，可用于活脑。 MRI显示解剖图，以将超声换能器和波束记录在MRI系统中。例如，在美国，该技术已获得美国食品药品管理局(FDA)的批准，可用于非侵入性消融原发性震颤。在20分钟内且无任何切口的情况下，一个人可以缓解神经疾病及其不可控制的震动。
创新前沿
如今，我们正在探索是否可以利用相同的技术组合来非侵入性地调节大脑，而不是破坏一部分大脑或燃烧别人的大脑。绘制大脑的整个结构仍然是另一个前沿领域。
现在需要让更多的神经病学和生物医学工程界尝试这些技术和这些类型的集成方法。不幸的是，目前，这不是即插即用的情况。我们希望制造商有可能使用针对神经科学家的开发工具，例如将超声组件集成到其MRI系统中。
需要做更多的协作工作，但是通过无创刺激或抑制来治疗癌症，肿瘤，慢性疼痛，临床抑郁症，强迫症，帕金森氏症，酒精中毒，昏迷以及一系列疾病的承诺功能是巨大的。