Imagem do cérebro com ultrassom

• A Aleph está desenvolvendo hardware de interface cerebral baseado em ultrassom para visualizar a atividade vascular do cérebro em alta resolução sem abrir o crânio, buscando ao mesmo tempo uma ampla cobertura e resolução detalhada, como em uma MRI
• O método usa o acoplamento neurovascular, em que mais sangue é enviado às áreas onde neurônios são ativados, para criar mapas de fluxo sanguíneo e volume de sangue a partir de sinais de ultrassom espalhados que atravessam o crânio
• Os resultados divulgados são as imagens vasculares mais detalhadas de um cérebro humano vivo através de um crânio intacto e representam o primeiro caso de microscopia de localização por ultrassom 3D transcraniana no cérebro humano
• Com infusão contínua de agente de contraste de microbolhas por 4 minutos, eles alcançaram uma resolução 100 vezes maior em termos volumétricos que a de uma CT comparável, mas essa técnica de super-resolução só é possível na versão com contraste
• O objetivo final é a imagem neurovascular por ultrassom sem contraste, e recuperar os sinais fracos de espalhamento dos glóbulos vermelhos exigirá grandes volumes de dados e machine learning end-to-end

---

Imagem da atividade cerebral sem abrir o crânio

• Pesquisas que reconstroem imagens vistas por uma pessoa usando apenas a atividade cerebral mostraram o potencial das interfaces cerebrais, mas os exemplos existentes exigem equipamentos de MRI, o que dificulta seu uso como dispositivos vestíveis
• O hardware atual de interfaces cerebrais se divide em dois extremos
  • Métodos que perfuram o crânio e inserem eletrodos no cérebro
  • Métodos que registram a atividade cerebral por EEG do lado de fora da cabeça, mas produzem imagens borradas
• A Aleph está criando um novo hardware que fornece detalhes do cérebro em nível de MRI sem perfuração

Como o ultrassom lê a atividade cerebral pelo fluxo sanguíneo

• Esse hardware é baseado em ultrassom e usa a conexão entre o sistema vascular e os neurônios
• Quando neurônios disparam, mais sangue é fornecido àquela região
• O ultrassom que atravessa o crânio é espalhado pelos glóbulos vermelhos, e esse sinal pode ser usado para criar mapas de fluxo sanguíneo e volume de sangue de todo o cérebro

Duas condições para uma interface cerebral de uso geral

• A Aleph considera que uma interface cerebral de uso geral precisa de duas condições

• Observação de áreas amplas do cérebro

  • Mesmo com 1.000 eletrodos, captura-se no máximo cerca de 0,001% do cérebro
  • Isso é útil para tarefas estreitas, como controlar um cursor, mas os pensamentos estão distribuídos por todo o cérebro

• Alta resolução

  • EEG e MEG têm um campo de visão amplo, mas as imagens da atividade cerebral são borradas
  • Essa é uma limitação fundamental decorrente de como campos elétricos e magnéticos se propagam, e não é resolvida aumentando os sensores para milhões
  • O ultrassom neurovascular pode satisfazer as duas condições, como a MRI, e fisicamente pode registrar 1 milhão de pixels independentes em todo o cérebro, com tamanho inferior a um milímetro

Primeira imagem vascular 3D através de um crânio intacto

• Os resultados divulgados pela Aleph são as imagens vasculares mais detalhadas de um cérebro humano vivo obtidas por ultrassom através de um crânio intacto
• No volume vascular reconstruído, é possível ver grandes vasos, artérias piais e arteríolas
• É a primeira imagem de microscopia de localização por ultrassom 3D do mundo obtida através do crânio no cérebro humano
• Ela alcançou resolução 100 vezes maior em termos volumétricos do que uma CT comparável
  • Porém, esse número é resultado do uso de uma técnica de super-resolução, que só é possível em ultrassom neurovascular baseado em contraste
• A Aleph acredita que a imagem transcraniana com microbolhas terá várias aplicações além de seus próprios objetivos e tornou todo o pipeline e o conjunto de dados open source
• AVCs, doença de Alzheimer e lesões cerebrais traumáticas deixam assinaturas vasculares em uma escala que CT e MRI não conseguem captar por resolução, e a Aleph acredita que imagens nessa resolução conseguirão alcançar esse domínio

Pipeline de processamento que supera o limite de difração com microbolhas

• Microbolhas são usadas para superar o limite de difração do ultrassom
• O ultrassom comum não consegue separar dois objetos que estejam mais próximos do que aproximadamente um comprimento de onda, e estruturas mais finas aparecem como uma única massa
• Uma microbolha aparece como um ponto borrado com largura da ordem de um comprimento de onda, mas seu centro pode ser estimado com precisão muito maior que o comprimento de onda por ajuste subpixel
• A variável central é a concentração de bolhas
  • As bolhas são injetadas de forma suficientemente esparsa para que os pontos borrados de cada bolha não se sobreponham
  • As posições das bolhas que fluem pelos vasos são acumuladas aos milhões
  • Essas posições são empilhadas para formar uma única imagem mais detalhada que o comprimento de onda
• As bolhas são bolsas de hexafluoreto de enxofre envoltas por uma casca lipídica e são um agente de contraste aprovado pela FDA
• A Aleph injeta as bolhas continuamente durante uma captura de 4 minutos
• O gás tem uma impedância acústica muito diferente da dos tecidos, fazendo com que o som seja refletido fortemente na superfície das bolhas, o que contribui tanto para a amplificação do sinal quanto para a super-resolução
• Ao conectar os centros das bolhas entre quadros, são criadas trajetórias 3D, e sua direção e velocidade permitem rastrear o fluxo sanguíneo da microvasculatura viva

Caminho para ultrassom neurovascular sem contraste

• A Aleph vê os resultados baseados em contraste como uma etapa intermediária, tendo como destino final a imagem neurovascular cerebral por ultrassom sem contraste

• Mudanças de hardware

  • No passado, equipamentos de ultrassom custavam mais de US$ 100 mil e exigiam carrinhos cheios de eletrônicos
  • Graças a empresas como a Butterfly, hoje os equipamentos de ultrassom se aproximaram do preço e do tamanho de um smartphone e continuam melhorando

• Dados e machine learning

  • Imagem sem contraste é mais difícil
  • Glóbulos vermelhos espalham muito menos o sinal do que microbolhas, portanto o sinal é fraco
  • A Aleph acredita que esse sinal não desapareceu; os métodos atuais é que não conseguem extraí-lo o suficiente
  • Probes de ultrassom padrão recebem dados na escala de terabytes por hora, mas pipelines de processamento comuns os comprimem para 0,1% do original
  • Pipelines existentes se baseiam em características projetadas manualmente, e a Aleph os compara à visão computacional inicial
  • A empresa acredita que machine learning end-to-end treinado com conjuntos de dados suficientemente grandes pode recuperar muito mais sinal que os métodos atuais
  • A Aleph está coletando o que considera ser atualmente o maior conjunto de dados de ultrassom neurovascular do mundo

[GN⁺]

Opiniões do Hacker News

• Mesmo o ultrassom de baixa intensidade no nível usado em gestantes pode causar alterações na microestrutura do cérebro[0], especialmente nos nódulos de Ranvier, as lacunas entre as bainhas de mielina dos axônios
  O artigo de revisão [1] também vale como referência
  [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 som é vibração, então, na medida em que a vibração atravessa a matéria e a move fisicamente, no fim ela acaba tendo algum efeito
    O que os humanos conseguem ouvir ocorre porque a faixa de frequências audíveis move os receptores do ouvido interno, e esse efeito não fica localizado apenas no ouvido; o cérebro inteiro também é afetado, mas é biologicamente adaptado a isso
    Ao bater em uma árvore, surgem sons em várias frequências: abaixo da faixa audível humana, dentro dela e acima dela, ou seja, ultrassom. Em geral, o mais perigoso é o ruído contínuo, em qualquer frequência, e especialmente em baixa frequência com grande amplitude, pois pode empurrar fisicamente o corpo e ser nocivo
  • Se o ultrassom afeta o cérebro, talvez seja possível fazer estimulação cerebral não destrutiva com padrões específicos

• É um trabalho impressionante e a prova de conceito é interessante, mas parece haver bastante exagero e informações ausentes, então é preciso olhar de forma crítica
  O que mais falta é comparação e validação com tecnologias de imagem médica já existentes. Imagem neurovascular de cérebro inteiro sem contraste é basicamente um problema já resolvido por MRI, então fico curioso por que não compararam com exames de MRI
  É verdade que o ultrassom é portátil e barato, mas, nos fluxos de trabalho médicos, MRI também está bastante disponível na maioria das cidades e tem custo relativamente razoável; além disso, MRI cerebral de baixo campo já reduz em parte os problemas de portabilidade e custo
  Eles parecem estar posicionando este produto como um dispositivo vestível de telepatia. Isso ajuda na diferenciação, mas também traz um enquadramento de “não é preciso saber como funciona”, o que acaba gerando mais ceticismo e exigindo um padrão de validação mais alto

  • A afirmação de que “MRI está amplamente disponível a custo razoável na maioria das cidades” pode não corresponder à realidade
    Mesmo vivendo nos chamados países desenvolvidos, é comum cidadãos esperarem meses, ou até mais de um ano, para fazer uma única MRI. Embora não seja só uma questão do equipamento de MRI, mas do sistema de saúde como um todo, se o equipamento ficar uma ou duas ordens de grandeza mais barato e também mais fácil de operar, o acesso certamente deve melhorar muito
    Concordo que é preciso comparar com valores de referência, e espero que tenham feito bastante desse trabalho para validar os resultados mostrados aqui
  • Segundo o artigo, esse equipamento de ultrassom custa algo na faixa de um smartphone, cerca de US$ 4.000
    Um equipamento de MRI custa aproximadamente 1.000 vezes isso
  • No Canadá, o tempo de espera típico para uma MRI é de 2 meses

• Esta imagem de alta resolução foi feita com uma injeção esparsa de agente de contraste de microbolhas de hexafluoreto de enxofre envoltas por uma casca lipídica
  Fico curioso sobre o quão esparsas são essas bolhas e se a imagem que vemos é uma composição acumulando várias bolhas ao longo do tempo
  A meta final de tentar fazer isso sem bolhas é boa, mas esse salto dá muito a sensação de “agora desenhe o restante da coruja”. A primeira técnica depende inteiramente de microbolhas, e, fora a afirmação vaga de que a tecnologia está evoluindo, não explica por que seria possível sem elas

• Olhando para a imagem de hemácias, a técnica de super-resolução usada aqui depende fortemente de as bolhas serem esparsas
  Se você imaginar um único ponto, ou um conjunto muito raro de pontos, em baixa resolução, dá para estimar a posição deles mesmo sem vê-los claramente. É uma técnica comum em radioastronomia e provavelmente também em astrometria, e sensoriamento comprimido também já foi uma área muito quente
  Mas hemácias são objetos moles e estranhos, e preenchem o fluxo sanguíneo de forma bastante densa. Pela estimativa do ChatGPT, elas ficam a cerca de 20 µm umas das outras e, dentro dos capilares, têm cerca de 7 µm de comprimento, o que parece plausível
  Mesmo deixando de lado as propriedades de espalhamento muito piores das hemácias, elas não são tão esparsas assim. Na prática, perde-se quase uma dimensão da esparsidade e é preciso resolver o capilar inteiro, então talvez seja possível, mas é muito mais difícil. Infelizmente, como o espaçamento entre capilares cerebrais é de cerca de 40 µm, o resultado pode ficar péssimo
  O artigo não informa o comprimento de onda usado nem a resolução básica, isto é, qual seria a resolução de comprimento de onda/2

  • Depois de mostrar uma técnica que depende inteiramente de esparsidade, dizer que ela também será aplicada a células sanguíneas, que não são esparsas, soa um tanto enganoso
    Seria ótimo se funcionasse, mas eu a colocaria na categoria de tecnologia para a qual ainda não foi apresentado um caminho plausível para superar limitações claras
  • Sou totalmente leigo nessa área, mas o artigo dizia esperar que AI/ML consiga criar modelos capazes de extrair informações que estão nos grandes volumes de dados coletados pela sonda, como o espalhamento causado pelas hemácias, mas que são fracas demais para serem usadas por técnicas manuais
    Para isso seria necessária uma quantidade enorme de dados, e parece que a ideia é coletar exatamente esses dados com o equipamento que acabaram de construir
  • Pelo que sei, algo assim também é usado na astronomia comum junto com dithering

• A tecnologia de imagem em si é ótima, mas a homepage é meio constrangedora
  Há um argumento bastante convincente de que o nível de leitura de mentes que eles sugerem é, em princípio, impossível de reconstruir apenas com hemodinâmica. No momento em que você começa a registrar sangue, e não os spikes dos circuitos neurais, dimensões são perdidas de forma irreversível, e não está nada claro se aquilo que um VC imagina ao ver a palavra “telepathy” sobrevive a essa transformação
  O que se tem é mais parecido com dados de entrega de comida de um bairro. Dá para saber bastante coisa, como quando uma festa vai acontecer, mas não quem estava com a roupa mais estilosa nem o que foi conversado durante o jantar. Essa informação simplesmente não sobrevive ao cruzar a interface
  Há um abismo enorme entre interpretação informada por dados e leitura de mentes

• Pergunta ingênua: considerando que se usam ondas sonoras, fico curioso se não há problema de latência

• A Meta também está trabalhando nessa área [0], então é inevitável que surjam perguntas orwellianas sobre o futuro próximo
  Se eu levar meu camundongo de estimação ao cinema e um amigo reescanear o filme com o Apple iFMRI, o DRM ainda vai ser válido, ou os camundongos vão ficar bloqueados por DRM?
  Só a íris será suficiente para inicializar o computador, ou vou ter que clicar em “aceitar todos os cookies de ondas cerebrais”?
  Será que posso mandar um e-mail para o responsável local da Flock pedindo para instalarem um novo Brain Pole no bairro? Vi vários homens jovens com pensamentos sombrios, e a câmera de pensamentos da Amazon indicou aumento na probabilidade de extravio de encomendas
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • É mesmo um pesadelo de ficção científica, mas não é prático
    Essas técnicas de imagem são todas bastante complexas. O ultrassom exige contato direto, e esta técnica só funciona com uma infusão intravenosa prolongada de bolhas. A fMRI também dificilmente viraria um dispositivo portátil que você pudesse apontar para algo, por vários motivos
    A ligação com pensamentos também está mais para ficção científica do que para realidade. Em tese, essa técnica poderia observar mudanças no fluxo sanguíneo em várias áreas, mas o que isso significaria? É difícil distinguir se o paciente está ansioso ou apenas tenso porque estão injetando bolhas por via IV para irem ao cérebro e prenderam uma máquina na cabeça dele
  • É sem dúvida interessante o mundo atual, em que encomendas continuam sendo roubadas apesar de uma tecnologia de vigilância absurdamente disseminada, e mesmo quando o ladrão é “pego” por essa rede de vigilância, ninguém faz valer nada
    Fico imaginando o que Orwell pensaria disso

• Não quero causar medo à toa, mas fico me perguntando se é seguro usar ultrassom desse jeito
  Pelo que entendo, é basicamente som de alta frequência, então pode ser ok para a maioria dos tecidos, mas aqui dizem que ele é espalhado pelos glóbulos vermelhos, e por algum motivo isso me deixa inquieto

  • Ondas se espalham em tudo, então isso por si só não é algo com que se preocupar
    Dependendo da intensidade, da frequência e do tecido-alvo, pode haver efeitos do ultrassom. Em outro lugar, alguém também linkou alguns artigos acadêmicos sobre o tema
    Eu também hesitaria em usar no cérebro. No mínimo, seria preciso haver testes rigorosos em modelos animais de longo prazo. Aplicar diariamente em mamíferos por 10 anos e comparar com um grupo de controle para mostrar que não há efeitos negativos

• Na semana passada inteira, parecia que o ultrassom resolvia tudo

  • São acontecimentos relacionados :)
    A equipe por trás deste artigo estava trabalhando com a Midjourney, pelo menos até alguns meses atrás
  • Durante a polêmica da Midjourney na semana passada, muita gente afirmou com muita veemência que esse tipo de uso seria impossível com ultrassom
  • Acho que a direção mais interessante é o ultrassom focalizado, que vem sendo proposto como solução para várias doenças

• Acho interessante que alguém tenha considerado seguro o bastante para aprovação da FDA injetar SF6 nos vasos sanguíneos

  • Segundo a Wikipedia, o SF6 é um “gás incolor, inodoro, não inflamável e atóxico”
    Quando usado como agente de contraste para ultrassom, ele “tem sido usado para examinar a vascularização de tumores”, algo semelhante ao uso descrito no artigo original. Ela também diz que “é visível no sangue por 3 a 8 minutos e é exalado pelos pulmões”
    Não é um método em que ele se acumula no fígado e é eliminado por lá, como eu tinha imaginado de início
  • O ultrassom contrastado por microbolhas (CEUS) é usado clinicamente há mais de 20 anos
    Há muitos fabricantes de agentes de contraste, como SonoVue/Lumason da Bracco ou Optison da GE Healthcare. Considerando apenas a segurança, é bem possível que seja melhor que contrastes iodados de CT ou contrastes de gadolínio de MRI, e hoje já é uma tecnologia bem estabelecida