Capturar imágenes del cerebro con ultrasonido

• Aleph está desarrollando hardware de interfaz cerebral basado en ultrasonido que permite observar la actividad vascular cerebral en alta resolución sin abrir el cráneo, con la meta de lograr al mismo tiempo un amplio alcance y un nivel de detalle comparable al de una MRI
• Este método aprovecha el acoplamiento neurovascular, por el cual se suministra más sangre a las zonas donde se activan las neuronas, y genera mapas de flujo y volumen sanguíneo a partir de señales de dispersión de ultrasonido que atraviesan el cráneo
• Los resultados publicados muestran la imagen vascular más detallada obtenida de un cerebro humano vivo a través de un cráneo intacto, y constituyen el primer caso de microscopía de localización por ultrasonido 3D transcraneal en un cerebro humano
• Al inyectar de forma continua un agente de contraste de microburbujas durante 4 minutos, lograron una resolución 100 veces mayor por volumen que una CT comparable, aunque esta técnica de superresolución solo es posible en la versión con contraste
• El objetivo final es la imagen neurovascular por ultrasonido sin contraste; para reconstruir las débiles señales de dispersión de los glóbulos rojos se requieren grandes volúmenes de datos y machine learning end-to-end

---

Imágenes de la actividad cerebral sin abrir el cráneo

• Las investigaciones que reconstruyen lo que una persona está viendo solo a partir de la actividad cerebral han mostrado el potencial de las interfaces cerebrales, pero los ejemplos previos requerían equipos de MRI, lo que dificulta su uso como dispositivos portátiles
• Hoy el hardware de interfaz cerebral se divide en dos extremos
  • métodos que perforan el cráneo e insertan electrodos en el cerebro
  • métodos que registran la actividad cerebral desde fuera de la cabeza con EEG, pero producen imágenes borrosas
• Aleph está creando un nuevo hardware que ofrece detalle cerebral a nivel MRI sin necesidad de perforaciones

Cómo el ultrasonido lee la actividad cerebral a través del flujo sanguíneo

• Este hardware se basa en ultrasonido y aprovecha la conexión entre el sistema vascular y las neuronas
• Cuando las neuronas disparan, se suministra más sangre a esa zona
• El ultrasonido que atraviesa el cráneo se dispersa en los glóbulos rojos, y con esa señal se pueden crear mapas de flujo y volumen sanguíneo de todo el cerebro

Las dos condiciones para una interfaz cerebral de propósito general

• Aleph considera que una interfaz cerebral de propósito general necesita dos condiciones

• Observar áreas amplias del cerebro

  • Incluso usando 1000 electrodos, solo se capta como máximo alrededor del 0.001% del cerebro
  • Eso puede servir para tareas limitadas como controlar un cursor, pero los pensamientos están distribuidos por todo el cerebro

• Alta resolución

  • EEG y MEG tienen un campo de visión amplio, pero las imágenes de actividad cerebral son borrosas
  • Es una limitación fundamental derivada de cómo se propagan los campos eléctricos y magnéticos, y no se resuelve ni siquiera aumentando los sensores a millones
  • El ultrasonido neurovascular puede cumplir ambas condiciones, como la MRI, y físicamente puede registrar 1 millón de píxeles independientes en todo el cerebro con tamaños menores a un milímetro

La primera imagen vascular 3D a través de un cráneo intacto

• Los resultados presentados por Aleph son la imagen vascular más detallada de un cerebro humano vivo obtenida con ultrasonido a través de un cráneo intacto
• En el volumen vascular reconstruido se pueden ver vasos grandes, arterias piales y arteriolas
• Es la primera imagen del mundo de microscopía de localización por ultrasonido 3D obtenida a través del cráneo en un cerebro humano
• Alcanzaron una resolución 100 veces mayor por volumen que una CT comparable
  • Sin embargo, esta cifra corresponde a resultados obtenidos con una técnica de superresolución, y esta técnica solo es posible en ultrasonido neurovascular basado en contraste
• Aleph cree que la imagen transcraneal con microburbujas tendrá múltiples aplicaciones además de su objetivo principal, y publicó como open source todo el pipeline y el dataset
• El accidente cerebrovascular, la enfermedad de Alzheimer y la lesión cerebral traumática dejan firmas vasculares en escalas que la resolución de CT y MRI no logra captar, y Aleph cree que este nivel de resolución podrá alcanzar ese rango

Un pipeline de procesamiento con microburbujas para superar el límite de difracción

• Las microburbujas se usan para superar el límite de difracción del ultrasonido
• En ultrasonido convencional, no se pueden separar dos objetos que estén más cerca que aproximadamente una longitud de onda, y las estructuras más finas aparecen como una sola masa
• Una sola microburbuja se ve como un punto borroso del ancho aproximado de una longitud de onda, pero con ajuste subpíxel se puede estimar su centro con mucha más precisión que esa longitud de onda
• La variable clave es la concentración de burbujas
  • las burbujas se inyectan con suficiente dispersión para que los puntos borrosos de cada una no se superpongan
  • se acumulan millones de posiciones de burbujas que fluyen a lo largo de los vasos
  • al apilar esas posiciones se crea una sola imagen con más detalle que una longitud de onda
• Las burbujas son bolsas de hexafluoruro de azufre rodeadas por una cubierta lipídica, y son un agente de contraste aprobado por la FDA
• Aleph inyecta las burbujas de forma continua durante una adquisición de 4 minutos
• El gas tiene una impedancia acústica muy distinta a la del tejido, por lo que el sonido se refleja con fuerza en la superficie de la burbuja, contribuyendo tanto al refuerzo de señal como a la superresolución
• Al conectar los centros de las burbujas entre cuadros se forman trayectorias 3D, y con su dirección y velocidad se puede seguir el flujo sanguíneo en la microvasculatura viva

El camino hacia el ultrasonido neurovascular sin contraste

• Aleph ve los resultados basados en contraste como una etapa intermedia, y sitúa el destino final en la imagen cerebral neurovascular por ultrasonido sin contraste

• Cambios en el hardware

  • En el pasado, los equipos de ultrasonido costaban más de 100 mil dólares y requerían carritos llenos de electrónica
  • Gracias a empresas como Butterfly, hoy los equipos de ultrasonido se han acercado al precio y tamaño de un smartphone y siguen mejorando

• Datos y machine learning

  • La imagen sin contraste es más difícil
  • Los glóbulos rojos dispersan mucho más débilmente que las microburbujas, así que la señal es débil
  • Aleph cree que la señal no ha desaparecido, sino que los métodos actuales no logran extraerla lo suficiente
  • Las sondas de ultrasonido estándar reciben datos a escala de terabytes por hora, pero los pipelines de procesamiento habituales los comprimen al 0.1% del original
  • Los pipelines existentes se basan en características diseñadas manualmente, y Aleph los compara con la visión por computadora de sus primeros años
  • Aleph cree que el machine learning end-to-end entrenado con datasets lo bastante grandes puede recuperar mucha más señal que los métodos actuales
  • Actualmente Aleph está recopilando lo que considera el dataset de ultrasonido neurovascular más grande del mundo

[GN⁺]

Opiniones en Hacker News

• Incluso el ultrasonido de baja intensidad, al nivel usado en mujeres embarazadas, puede provocar cambios en la microestructura del cerebro[0], y se dice que los cambios aparecen especialmente en los nodos de Ranvier, los espacios entre las vainas de mielina de los axones.
  También vale la pena consultar el artículo de revisión [1].
  [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/

  • Todo sonido es vibración, así que en la medida en que la vibración atraviesa la materia y la mueve físicamente, al final tiene algún grado de efecto.
    Los humanos podemos oír porque el rango de frecuencias audibles mueve los receptores del oído interno, y como ese efecto no se queda localizado solo en el oído, todo el cerebro también se ve afectado, aunque biológicamente está adaptado a eso.
    Al golpear un árbol se generan sonidos de varias frecuencias: por debajo del rango audible humano, dentro del rango audible y también por encima de él, es decir, ultrasonido. En general, lo más peligroso es el ruido sostenido a cualquier frecuencia; en especial, si es de baja frecuencia y gran amplitud, puede empujar físicamente el cuerpo y resultar dañino.
  • Si el ultrasonido afecta al cerebro, me pregunto si también podría usarse para estimulación cerebral no destructiva con patrones específicos.

• Es un trabajo excelente y la prueba de concepto es interesante, pero parece necesario mirarlo con ojo crítico porque hay bastante exageración e información faltante.
  Lo que más falta es comparación y validación frente a las tecnologías de imagen médica existentes. Las imágenes neurovasculares de todo el cerebro sin agente de contraste son, en la práctica, un terreno ya cubierto por la MRI, así que me pregunto por qué no lo compararon con una MRI.
  Es cierto que el ultrasonido es portátil y barato, pero en los flujos de trabajo médicos la MRI también está bastante disponible en la mayoría de las ciudades y sus costos suelen ser razonables; además, la MRI cerebral de bajo campo está reduciendo en cierta medida los problemas de portabilidad y costo.
  Parecen estar posicionando este producto como un dispositivo de telepatía wearable, lo cual sirve para diferenciarse, pero también introduce un encuadre de “no hace falta entender cómo funciona”, y eso más bien genera escepticismo y exige un estándar de validación más alto.

  • La afirmación de que “la MRI está ampliamente disponible a costos razonables en la mayoría de las ciudades” puede no coincidir con la realidad.
    Incluso viviendo en los llamados países desarrollados, es común que los ciudadanos esperen meses, o en casos extremos más de un año, para hacerse una MRI. Es cierto que no es solo un problema de los equipos de MRI, sino del sistema de salud completo, pero si el equipo fuera uno o dos órdenes de magnitud más barato y también más fácil de operar, el acceso claramente mejoraría mucho.
    Estoy de acuerdo en que hace falta compararlo con un valor de referencia, y espero que hayan hecho mucho de ese trabajo para validar los resultados que se ven aquí.
  • Según el artículo, este equipo de ultrasonido cuesta más o menos lo mismo que un smartphone, unos 4,000 dólares.
    Un equipo de MRI cuesta aproximadamente 1,000 veces más.
  • En Canadá, el tiempo de espera habitual para una MRI es de 2 meses.

• Estas imágenes de alta resolución se obtuvieron inyectando de forma diluida un agente de contraste de microburbujas de hexafluoruro de azufre recubiertas con una capa lipídica.
  Me pregunto qué tan diluidas están esas burbujas y si la imagen que vemos es una composición hecha acumulando muchas burbujas a lo largo del tiempo.
  El objetivo final de intentar hacerlo sin burbujas está bien, pero ese salto se siente mucho como “ahora dibuja el resto del búho”. La primera técnica depende por completo de las microburbujas, y salvo la afirmación vaga de que la tecnología está avanzando, no se explica por qué debería ser posible sin ellas.

• Viéndolo desde el caso de imágenes de glóbulos rojos, la técnica de superresolución usada aquí depende mucho de que las burbujas sean escasas.
  Si uno piensa en un solo punto, o en un conjunto de puntos muy poco frecuentes, dentro de una imagen de baja resolución, es posible estimar su ubicación aunque no se vea con claridad. Es una técnica común en radioastronomía y probablemente también en astrometría, y el compressed sensing también fue un campo muy candente durante un tiempo.
  Pero los glóbulos rojos son objetos blandos y raros, y llenan el flujo sanguíneo de forma bastante densa. Según una estimación de ChatGPT, están separados entre sí por unos 20 µm, y dentro de los capilares miden unos 7 µm de largo, lo cual suena plausible.
  Incluso dejando de lado sus características de dispersión mucho peores, no son tan escasos. En la práctica, se pierde casi una dimensión completa de escasez y habría que resolver todo el capilar, así que tal vez sea posible, pero es mucho más difícil. Por desgracia, como la separación entre capilares cerebrales es de unos 40 µm, los resultados podrían salir desastrosos.
  El artículo no indica la longitud de onda usada ni la resolución básica, es decir, cuál es la resolución de longitud de onda/2.

  • Después de mostrar una técnica que depende por completo de la escasez, decir que también se aplicará a células sanguíneas que no son nada escasas se siente un poco engañoso.
    Ojalá se logre, pero por ahora lo pondría en la categoría de tecnologías para las que no se ha presentado un camino plausible para superar una limitación clara.
  • Soy totalmente ajeno a este campo, pero el artículo decía que esperan que AI/ML pueda crear modelos capaces de extraer información que está en la gran cantidad de datos reunidos por la sonda —como la dispersión causada por los glóbulos rojos—, pero que es demasiado débil para usarse con técnicas manuales.
    Para eso se necesitaría una cantidad enorme de datos, y parece que con el equipo que acaban de crear buscan recopilar justamente esos datos.
  • Tengo entendido que en la astronomía general también se usa algo parecido junto con dithering.

• La tecnología de imagen en sí es genial, pero el sitio web da un poco de vergüenza ajena.
  Hay un argumento bastante convincente de que el nivel de lectura de la mente que insinúan no puede reconstruirse, para empezar, solo a partir de la hemodinámica. En el momento en que empiezas a registrar sangre y no los spikes de los circuitos neuronales, se pierde dimensión de forma irreversible, y no está nada claro que lo que un VC imagina al ver la palabra “telepathy” sobreviva después de esa transformación.
  Lo que se tiene se parece más a datos de delivery de comida de un barrio. Se pueden saber bastantes cosas, como cuándo habrá una fiesta, pero no quién llevaba la ropa más elegante ni de qué hablaron durante la cena. Esa información simplemente no sobrevive al cruzar la interfaz.
  Hay un abismo enorme entre una interpretación basada en información y la lectura de la mente.

• Pregunta ingenua: considerando que usa ondas sonoras, me pregunto si no habrá problemas de latencia.

• Meta también está trabajando en esto [0], así que es inevitable que surjan preguntas orwellianas sobre el futuro cercano.
  Si llevo mi ratón mascota al cine y un amigo vuelve a escanear la película con Apple iFMRI, ¿el DRM seguirá siendo válido o los ratones quedarán bloqueados por DRM?
  ¿Bastará con el iris para arrancar la computadora, o habrá que pulsar “aceptar todas las cookies de ondas cerebrales”?
  ¿Podré escribirle por email al responsable local de Flock para pedir que instalen un nuevo Brain Pole en mi barrio? Vi a varios hombres jóvenes con pensamientos oscuros, y la cámara de pensamientos de Amazon me indicó una mayor probabilidad de pérdida de paquetes.
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • Sí, es como una pesadilla de ciencia ficción, pero no es práctico.
    Todas estas técnicas de imagen son bastante complejas. El ultrasonido requiere contacto directo, y esta técnica solo funciona si se inyectan burbujas por vía intravenosa durante bastante tiempo. Por varias razones, tampoco es probable que la fMRI se convierta en un dispositivo portátil que puedas apuntar hacia algo.
    La conexión con los pensamientos también está más cerca de la ciencia ficción que de la realidad. En teoría, esta técnica podría ver cambios en el flujo sanguíneo en varias regiones, ¿pero qué significaría eso? Sería difícil distinguir si el paciente está ansioso, o si está tenso porque le están inyectando por IV burbujas que irán al cerebro y le pegaron una máquina a la cabeza.
  • Sin duda es interesante que en el mundo actual, aunque existe tecnología de vigilancia absurdamente generalizada, los paquetes se siguen robando y, aunque los ladrones “caigan” en esa red de vigilancia, nadie hace nada para aplicar la ley.
    Me pregunto qué habría pensado Orwell.

• No quiero fomentar miedos innecesarios, pero me pregunto si es seguro usar ultrasonido de esta manera.
  Según entiendo, básicamente son ondas sonoras de alta frecuencia, así que podrían estar bien para la mayoría de los tejidos, pero aquí dicen que se dispersan en los glóbulos rojos, y por alguna razón eso me inquieta.

  • Las ondas se dispersan en todo, así que eso en sí no es motivo de preocupación.
    Dependiendo de la intensidad, la frecuencia y el tejido objetivo, puede haber efectos del ultrasonido. En otro lugar, alguien enlazó varios artículos académicos sobre este tema.
    A mí también me daría reparo usarlo en el cerebro. Como mínimo debería haber pruebas exhaustivas en modelos animales a largo plazo. Tendrían que aplicarlo a mamíferos todos los días durante 10 años y compararlos con un grupo de control para demostrar que no hay efectos negativos.

• Durante toda la semana pasada parecía que el ultrasonido iba a resolverlo todo.

  • Son sucesos relacionados entre sí :)
    El equipo detrás de este artículo, al menos hasta hace unos meses, estaba trabajando con Midjourney.
  • Durante la controversia de Midjourney de la semana pasada, mucha gente afirmó con total seguridad que estos usos eran imposibles con ultrasonido.
  • Creo que la dirección más interesante es el ultrasonido focalizado, que se está proponiendo como solución para varias enfermedades.

• Me parece interesante pensar que alguien haya considerado que inyectar SF6 en los vasos sanguíneos es lo bastante seguro como para obtener aprobación de la FDA.

  • Según Wikipedia, el SF6 es un “gas incoloro, inodoro, no inflamable y no tóxico”.
    Cuando se usa como agente de contraste para ultrasonido, “se ha utilizado para examinar la vascularización de tumores”, algo parecido al uso descrito en el artículo original. Además, “es visible en la sangre durante 3 a 8 minutos y se exhala a través de los pulmones”.
    No se acumula y se elimina por el hígado, como pensé al principio.
  • El ultrasonido con contraste de microburbujas (CEUS) se usa en la práctica clínica desde hace más de 20 años.
    También hay muchos fabricantes de agentes de contraste, como SonoVue/Lumason de Bracco u Optison de GE Healthcare. Si hablamos solo de seguridad, es muy probable que sea mejor que los contrastes yodados de la CT o los contrastes de gadolinio de la MRI, y hoy es una tecnología bastante establecida.