Das Gehirn per Ultraschall abbilden

• Aleph entwickelt Ultraschall-basierte Hardware für Gehirn-Interfaces, die Gefäßaktivität im Gehirn mit hoher Auflösung sichtbar machen soll, ohne den Schädel zu öffnen – mit dem Ziel, wie bei MRI zugleich große Abdeckung und Detailauflösung zu erreichen
• Der Ansatz nutzt die neurovaskuläre Kopplung, bei der aktive Neuronenbereiche stärker durchblutet werden, und erstellt aus durch den Schädel gestreuten Ultraschallsignalen Karten von Blutfluss und Blutvolumen
• Die veröffentlichten Ergebnisse zeigen die bislang detailliertesten Gefäßbilder eines lebenden menschlichen Gehirns durch einen intakten Schädel hindurch und sind der erste Fall von transkranieller 3D-Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie im menschlichen Gehirn
• Durch eine kontinuierliche Injektion eines Mikrobläschen-Kontrastmittels über 4 Minuten wurde gegenüber vergleichbarer CT eine 100-fach höhere Auflösung bezogen auf das Volumen erreicht; diese Super-Resolution-Technik ist jedoch nur in der Kontrastmittel-Version möglich
• Das Endziel ist kontrastmittelfreie neurovaskuläre Ultraschallbildgebung; um die schwachen Streusignale roter Blutkörperchen zu rekonstruieren, sind große Datenmengen und End-to-End-Machine-Learning nötig

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Bildgebung von Gehirnaktivität ohne Öffnung des Schädels

• Forschung, die aus Gehirnaktivität allein rekonstruiert, welche Bilder eine Person sieht, hat das Potenzial von Gehirn-Interfaces gezeigt; bisherige Beispiele benötigen jedoch MRI-Geräte und eignen sich daher kaum als tragbare Geräte
• Aktuelle Hardware für Gehirn-Interfaces teilt sich in zwei Extreme
  • Verfahren, bei denen ein Loch in den Schädel gebohrt und Elektroden ins Gehirn eingeführt werden
  • Verfahren, die Gehirnaktivität von außerhalb des Kopfes per EEG aufzeichnen, deren Bilder aber unscharf sind
• Aleph entwickelt neue Hardware, die ohne Bohren Gehirndetails auf MRI-Niveau liefern soll

Wie Ultraschall Gehirnaktivität über den Blutfluss ausliest

• Die Hardware basiert auf Ultraschall und nutzt die Verbindung zwischen Gefäßsystem und Neuronen
• Wenn Neuronen feuern, wird der betreffende Bereich stärker mit Blut versorgt
• Ultraschall, der den Schädel durchdringt, wird an roten Blutkörperchen gestreut; aus diesem Signal lassen sich Karten von Blutfluss und Blutvolumen im gesamten Gehirn erstellen

Zwei Voraussetzungen für ein universelles Gehirn-Interface

• Aleph sieht zwei Voraussetzungen für ein universelles Gehirn-Interface

• Beobachtung großer Gehirnareale

  • Selbst mit 1000 Elektroden erfasst man höchstens etwa 0,001 % des Gehirns
  • Das ist für eng umrissene Aufgaben wie Cursorsteuerung nützlich, doch Gedanken sind über das gesamte Gehirn verteilt

• Hohe Auflösung

  • EEG und MEG haben ein großes Sichtfeld, liefern aber unscharfe Bilder der Gehirnaktivität
  • Das ist eine grundlegende Grenze, die sich aus der Ausbreitung elektrischer und magnetischer Felder ergibt; auch Millionen zusätzlicher Sensoren lösen sie nicht
  • Neurovaskulärer Ultraschall kann wie MRI beide Bedingungen erfüllen und physikalisch 1 Million unabhängige Pixel im gesamten Gehirn in Größen unterhalb eines Millimeters aufzeichnen

Erste 3D-Gefäßbilder durch einen intakten Schädel

• Die von Aleph veröffentlichten Ergebnisse sind die detailliertesten per Ultraschall durch einen intakten Schädel aufgenommenen Gefäßbilder eines lebenden menschlichen Gehirns
• Im rekonstruierten Gefäßvolumen sind große Gefäße, piale Arterien und Arteriolen zu sehen
• Es handelt sich um die weltweit ersten 3D-Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie-Bilder, die im menschlichen Gehirn durch den Schädel hindurch gewonnen wurden
• Gegenüber vergleichbarer CT wurde bezogen auf das Volumen eine 100-fach höhere Auflösung erreicht
  • Dieser Wert ist allerdings das Ergebnis einer Super-Resolution-Technik, die nur bei kontrastmittelbasiertem neurovaskulärem Ultraschall möglich ist
• Aleph geht davon aus, dass transkranielle Mikrobläschen-Bildgebung neben dem eigenen Ziel viele weitere Anwendungen haben kann, und stellt die gesamte Pipeline sowie den Datensatz als Open Source bereit
• Schlaganfall, Alzheimer-Krankheit und traumatische Hirnverletzungen hinterlassen vaskuläre Signaturen in Größenordnungen, die CT und MRI aufgrund ihrer Auflösung nicht erfassen können; Aleph erwartet, dass Bildgebung mit dieser Auflösung in diesen Bereich vordringt

Verarbeitungspipeline, die mit Mikrobläschen die Beugungsgrenze überwindet

• Mikrobläschen werden eingesetzt, um die Beugungsgrenze von Ultraschall zu überwinden
• Normaler Ultraschall kann zwei Objekte, die näher beieinander liegen als etwa eine Wellenlänge, nicht trennen; feinere Strukturen erscheinen als ein einziger Klumpen
• Ein einzelnes Mikrobläschen erscheint als verschwommener Punkt von ungefähr Wellenlängenbreite, doch durch Subpixel-Fitting lässt sich sein Zentrum weit präziser als eine Wellenlänge schätzen
• Die zentrale Variable ist die Bläschenkonzentration
  • Die Bläschen werden ausreichend spärlich injiziert, sodass die unscharfen Punkte einzelner Bläschen nicht überlappen
  • Millionen Positionen von Bläschen, die entlang der Blutgefäße strömen, werden akkumuliert
  • Aus diesen Positionen wird ein einzelnes Bild zusammengesetzt, das feiner aufgelöst ist als die Wellenlänge
• Die Bläschen sind von einer Lipidhülle umgebene Taschen aus Schwefelhexafluorid und ein von der FDA zugelassenes Kontrastmittel
• Aleph injiziert die Bläschen während der 4-minütigen Aufnahme kontinuierlich
• Gas unterscheidet sich in seiner akustischen Impedanz stark von Gewebe, sodass Schall an der Bläschenoberfläche stark reflektiert wird; das trägt sowohl zur Signalverstärkung als auch zur Umsetzung der Super-Resolution bei
• Verbindet man die Zentren der Bläschen zwischen Frames, entstehen 3D-Trajektorien; über deren Richtung und Geschwindigkeit lässt sich der Blutfluss im lebenden Mikrogefäßsystem verfolgen

Der Weg zu kontrastmittelfreiem neurovaskulärem Ultraschall

• Aleph sieht die kontrastmittelbasierten Ergebnisse als Zwischenschritt und setzt als Endziel kontrastmittelfreie neurovaskuläre Gehirnbildgebung

• Hardware-Veränderungen

  • Frühere Ultraschallgeräte kosteten über 100.000 Dollar und benötigten Wagen voller Elektronik
  • Dank Unternehmen wie Butterfly sind heutige Ultraschallgeräte bei Preis und Größe näher an Smartphones herangerückt und verbessern sich weiter

• Daten und Machine Learning

  • Kontrastmittelfreie Bildgebung ist schwieriger
  • Rote Blutkörperchen streuen deutlich schwächer als Mikrobläschen, daher ist das Signal schwach
  • Aleph geht davon aus, dass das Signal nicht verschwunden ist, sondern dass heutige Methoden es nicht ausreichend herausholen
  • Standard-Ultraschallsonden empfangen Daten im Terabyte-Bereich pro Stunde, doch typische Verarbeitungspipelines komprimieren diese auf 0,1 % des Originals
  • Bestehende Pipelines basieren auf von Hand entworfenen Merkmalen; Aleph vergleicht das mit früher Computer Vision
  • Mit ausreichend großen Datensätzen trainiertes End-to-End-Machine-Learning könnte nach Alephs Einschätzung deutlich mehr Signal rekonstruieren als heutige Methoden
  • Aleph sammelt derzeit nach eigener Einschätzung den weltweit größten Datensatz für neurovaskulären Ultraschall

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Selbst niedrigintensiver Ultraschall auf dem Niveau, wie er bei Schwangeren eingesetzt wird, kann Veränderungen in der Mikrostruktur des Gehirns verursachen[0], insbesondere offenbar an den Ranvier-Schnürringen, den Lücken zwischen den Myelinscheiden der Axone.
  Auch der Review-Artikel [1] ist lesenswert.
  [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/

  • Jeder Schall ist Schwingung; sobald Schwingungen Materie durchlaufen und sie physisch bewegen, haben sie letztlich in gewissem Maß eine Wirkung.
    Was Menschen hören können, liegt daran, dass der hörbare Frequenzbereich die Rezeptoren im Innenohr bewegt. Dieser Effekt bleibt aber nicht nur lokal auf das Ohr beschränkt, auch das gesamte Gehirn wird beeinflusst; biologisch ist es jedoch daran angepasst.
    Wenn man auf Holz klopft, entstehen Töne vieler Frequenzen: unterhalb des menschlichen Hörbereichs, im Hörbereich und darüber, also Ultraschall. Gefährlicher ist im Allgemeinen andauernder Lärm bei beliebiger Frequenz, insbesondere bei niedriger Frequenz und großer Amplitude, weil er den Körper physisch drücken kann und dadurch schädlich ist.
  • Wenn Ultraschall das Gehirn beeinflusst, könnte man damit vielleicht mit bestimmten Mustern auch nichtinvasive Hirnstimulation durchführen.

• Schöne Arbeit und ein interessanter Proof of Concept, aber es gibt ziemlich viel Hype und fehlende Informationen, daher sollte man das wohl kritisch betrachten.
  Am meisten fehlt der Vergleich und die Validierung gegenüber bestehenden medizinischen Bildgebungsverfahren. Gefäßbildgebung des gesamten Gehirns ohne Kontrastmittel ist im Grunde ein durch MRI gelöstes Gebiet; ich frage mich, warum kein Vergleich mit MRI-Aufnahmen gemacht wurde.
  Ultraschall ist zwar portabel und günstig, aber in medizinischen Workflows ist MRI in den meisten Städten ebenfalls recht weit verbreitet und die Kosten sind vergleichsweise vernünftig; Low-Field-Brain-MRI reduziert das Problem von Portabilität und Kosten bereits bis zu einem gewissen Grad.
  Es wirkt, als wolle man dieses Produkt als tragbares Telepathie-Gerät positionieren. Das passt zwar zur Differenzierung, ruft aber auch ein Framing von „man muss nicht wissen, wie es funktioniert“ hervor und erzeugt eher Skepsis sowie den Wunsch nach höheren Validierungsstandards.

  • Die Aussage, „MRI sei in den meisten Städten breit verfügbar und zu vernünftigen Kosten erhältlich“, kann von der Realität abweichen.
    Selbst in sogenannten entwickelten Ländern ist es üblich, dass Bürger Monate, im Extremfall über ein Jahr, auf eine einzige MRI-Untersuchung warten. Das ist zwar nicht nur ein Problem der MRI-Geräte, sondern des gesamten Gesundheitssystems; wenn die Geräte aber um ein bis zwei Größenordnungen günstiger und einfacher zu betreiben wären, würde sich die Zugänglichkeit sicher deutlich verbessern.
    Ich stimme zu, dass ein Vergleich mit Referenzwerten nötig ist, und hoffe, dass man viel davon gemacht hat, um die hier gezeigten Ergebnisse zu validieren.
  • Dem Artikel zufolge kostet dieses Ultraschallgerät etwa so viel wie ein Smartphone, also rund 4.000 Dollar.
    MRI-Geräte sind ungefähr 1.000-mal so teuer.
  • In Kanada beträgt die typische Wartezeit für MRI 2 Monate.

• Dieses hochauflösende Bild wurde durch eine spärliche Injektion eines Kontrastmittels aus Schwefelhexafluorid-Mikrobläschen mit Lipidhülle erzeugt.
  Mich interessiert, wie spärlich diese Bläschen sind und ob das Bild, das wir sehen, durch das zeitliche Aufsummieren mehrerer Bläschen zusammengesetzt wurde.
  Das Ziel, es am Ende auch ohne Bläschen zu versuchen, ist gut, aber dieser Sprung fühlt sich stark nach „jetzt zeichnen Sie den Rest der Eule“ an. Die erste Methode hängt vollständig von Mikrobläschen ab, erklärt aber abgesehen von der vagen Aussage, dass sich die Technologie weiterentwickelt, nicht, warum es ohne Bläschen möglich sein sollte.

• Wenn man an Bildgebung von roten Blutkörperchen denkt, hängt die hier verwendete Super-Resolution-Methode stark davon ab, dass die Bläschen spärlich sind.
  Stellt man sich bei niedriger Auflösung einen einzelnen Punkt oder eine sehr seltene Punktmenge vor, kann man ihre Position rekonstruieren, auch wenn sie nicht klar sichtbar ist. Das ist in der Radioastronomie und vermutlich auch in der Astrometrie eine gängige Technik, und Compressed Sensing war zeitweise ebenfalls ein sehr heißes Feld.
  Rote Blutkörperchen sind jedoch weiche, seltsame Objekte und füllen den Blutstrom ziemlich dicht aus. Nach einer ChatGPT-Schätzung liegen sie etwa 20 µm voneinander entfernt und sind in Kapillaren etwa 7 µm lang, was plausibel erscheint.
  Selbst wenn man die deutlich schlechteren Streueigenschaften roter Blutkörperchen außer Acht lässt, sind sie nicht besonders spärlich. Im Grunde verliert man fast eine Dimension der Sparsity und muss die gesamte Kapillare auflösen; möglich ist es vielleicht, aber deutlich schwieriger. Leider beträgt der Abstand zwischen Hirnkapillaren etwa 40 µm, sodass das Ergebnis auch ziemlich chaotisch werden könnte.
  Im Artikel steht nicht, welche Wellenlänge oder welche Grundauflösung verwendet wurde, also wie groß die Wellenlänge/2-Auflösung ist.

  • Erst eine Methode zu zeigen, die vollständig auf Sparsity beruht, und dann zu sagen, man werde sie auch auf überhaupt nicht spärliche Blutzellen anwenden, wirkt etwas irreführend.
    Es wäre schön, wenn es klappt, aber ich würde das in die Kategorie von Technologien einordnen, bei denen kein plausibler Weg gezeigt wurde, klare Grenzen zu überwinden.
  • Ich bin in diesem Bereich völliger Laie, aber der Artikel sagt, man hoffe, dass AI/ML Modelle bauen könne, die Informationen herausziehen, die zwar in den großen Datenmengen der Sonde enthalten sind, etwa Streuung durch rote Blutkörperchen, aber zu schwach sind, um sie mit manuellen Verfahren zu nutzen.
    Dafür braucht man enorme Datenmengen, und offenbar will man genau diese Daten direkt mit dem jetzt gebauten Gerät sammeln.
  • Soweit ich weiß, wird diese Art von Verfahren zusammen mit Dithering auch in der klassischen Astronomie eingesetzt.

• Die Bildgebungstechnik selbst ist beeindruckend, aber die Homepage ist etwas peinlich.
  Es gibt ein ziemlich überzeugendes Argument, dass Gedankenlesen auf dem von ihnen angedeuteten Niveau allein aus Hämodynamik grundsätzlich nicht rekonstruierbar ist. In dem Moment, in dem man beginnt, Blut statt Spikes in neuronalen Schaltkreisen aufzuzeichnen, geht Dimensionalität irreversibel verloren; und es ist überhaupt nicht klar, ob das, was VCs beim Wort „telepathy“ imaginieren, nach dieser Transformation noch übrig bleibt.
  Was man hat, ist eher wie die Essenslieferdaten eines Viertels. Man kann ziemlich viel erkennen, etwa wann eine Party stattfindet, aber nicht, wer das coolste Outfit getragen hat oder worüber beim Abendessen gesprochen wurde. Diese Information überlebt den Übergang über die Schnittstelle einfach nicht.
  Zwischen informierter Interpretation und Gedankenlesen liegt eine gewaltige Schlucht.

• Eine naive Frage: Angesichts dessen, dass Schallwellen verwendet werden, frage ich mich, ob es kein Latenzproblem gibt.

• Meta arbeitet ebenfalls in diesem Bereich [0], daher drängen sich zwangsläufig orwellsche Fragen zur nahen Zukunft auf
  Wenn man eine Hausmaus mit ins Kino nimmt und ein Freund den Film mit Apple iFMRI erneut scannt, bleibt das DRM dann weiterhin gültig, oder werden die Mäuse DRM-gesperrt?
  Reicht die Iris aus, um den Computer zu booten, oder muss man auf „Alle Gehirnwellen-Cookies akzeptieren“ klicken?
  Kann man dem lokalen Flock-Beauftragten eine E-Mail schreiben und darum bitten, in der Nachbarschaft einen neuen Brain Pole zu installieren? Es wurden mehrere junge Männer mit dunklen Gedanken gesehen, und die Amazon-Gedankenkamera meldete eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für verlorene Pakete
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • Es ist zwar ein SF-Albtraum, aber nicht wirklich praktikabel
    Diese Bildgebungsverfahren sind alle ziemlich komplex. Ultraschall erfordert direkten Kontakt, und diese Methode funktioniert nur mit einer länger dauernden intravenösen Infusion von Bläschen. Auch fMRI dürfte aus mehreren Gründen kaum zu einem tragbaren Gerät werden, das man auf etwas richten kann
    Die Verbindung zu Gedanken ist ebenfalls eher Science-Fiction als Realität. Theoretisch könnte diese Methode Veränderungen des Blutflusses in verschiedenen Bereichen sichtbar machen, aber was bedeutet das? Es ist schwer zu unterscheiden, ob ein Patient ängstlich ist oder ob er nur angespannt ist, weil ihm per IV Bläschen injiziert werden, die ins Gehirn gelangen sollen, und ihm eine Maschine an den Kopf gesetzt wurde
  • Es ist schon bemerkenswert, dass in der heutigen Welt trotz wahnsinnig allgegenwärtiger Überwachungstechnologie weiterhin Pakete gestohlen werden und selbst wenn Diebe in diesem Überwachungsnetz „erwischt“ werden, niemand etwas durchsetzt
    Ich frage mich, was Orwell wohl dazu gedacht hätte

• Ich will keine unnötige Angst schüren, aber ich frage mich, ob es sicher ist, Ultraschall auf diese Weise einzusetzen
  Soweit ich es verstehe, handelt es sich im Grunde um hochfrequente Schallwellen, die für die meisten Gewebe in Ordnung sein könnten, aber hier heißt es, sie würden an roten Blutkörperchen gestreut, und das fühlt sich aus irgendeinem Grund beunruhigend an

  • Wellen werden an allem gestreut, daher ist das an sich kein Grund zur Sorge
    Je nach Intensität, Frequenz und Zielgewebe kann es Ultraschalleffekte geben. Anderswo hatte jemand ein paar wissenschaftliche Arbeiten zu diesem Thema verlinkt
    Beim Einsatz im Gehirn wäre ich ebenfalls zurückhaltend. Zumindest müssten gründliche Langzeitstudien an Tiermodellen vorliegen. Man müsste es zehn Jahre lang täglich bei Säugetieren anwenden und im Vergleich zu einer Kontrollgruppe zeigen, dass es keine negativen Auswirkungen gibt

• In der ganzen letzten Woche fühlte es sich so an, als würde Ultraschall alles lösen

  • Das sind miteinander verbundene Ereignisse :)
    Das Team hinter diesem Beitrag arbeitete zumindest noch vor ein paar Monaten mit Midjourney zusammen
  • Während der Midjourney-Debatte letzte Woche haben sehr viele Leute lautstark behauptet, dass solche Anwendungen mit Ultraschall unmöglich seien
  • Die interessantere Richtung ist meiner Meinung nach fokussierter Ultraschall, der als Lösung für verschiedene Krankheiten vorgeschlagen wird

• Interessant, dass irgendjemand meinte, SF6 in Blutgefäße zu injizieren sei sicher genug für eine FDA-Zulassung

  • Laut Wikipedia ist SF6 ein „farbloses, geruchloses, nicht brennbares, ungiftiges Gas“
    Als Ultraschall-Kontrastmittel wurde es „zur Untersuchung der Tumorvaskularität verwendet“, was dem Einsatz im Originalartikel ähnelt. Außerdem sei es „im Blut 3 bis 8 Minuten lang sichtbar und wird über die Lunge ausgeatmet“
    Es sammelt sich also nicht, wie ich zuerst gedacht hatte, in der Leber und wird dort ausgeschieden
  • Kontrastmittelverstärkter Ultraschall mit Mikrobläschen (CEUS) wird seit über 20 Jahren klinisch eingesetzt
    Es gibt auch viele Hersteller von Kontrastmitteln, etwa Braccos SonoVue/Lumason oder GE Healthcares Optison. Rein hinsichtlich der Sicherheit ist es wahrscheinlich besser als iodhaltige Kontrastmittel bei CT oder gadoliniumhaltige Kontrastmittel bei MRI, und heute ist es eine ziemlich etablierte Technik