Ultrason ile beyni görüntülemek

• Aleph, kafatasını açmadan beyin damar faaliyetini yüksek çözünürlükte görmeyi hedefleyen ultrason tabanlı beyin arayüzü donanımı geliştiriyor; MRI gibi hem geniş kapsamı hem de ayrıntılı çözünürlüğü aynı anda amaçlıyor
• Bu yaklaşım, nöronların etkinleştiği bölgelere daha fazla kan gitmesini sağlayan nörovasküler eşleşmeyi kullanarak, kafatasını geçen ultrason saçılım sinyalleriyle kan akışı ve kan hacmi haritaları oluşturuyor
• Açıklanan sonuçlar, yaşayan insan beyninin sağlam kafatasının ötesinden elde edilen en ayrıntılı damar görüntüsü ve insan beyninde ilk transkraniyal 3D ultrason lokalizasyon mikroskopisi örneği
• Mikro kabarcık kontrast maddesi 4 dakika boyunca sürekli verilerek, karşılaştırılabilir CT'ye göre hacim bazında 100 kat daha yüksek çözünürlük elde edildi; ancak bu süper çözünürlük tekniği yalnızca kontrast madde sürümünde mümkün
• Nihai hedef kontrastsız nörovasküler ultrason görüntüleme; zayıf kırmızı kan hücresi saçılım sinyalini geri kazanmak için büyük ölçekli veri ve end-to-end makine öğrenimi gerekiyor

---

Kafatasını açmadan beyin etkinliğini görüntülemek

• Yalnızca beyin etkinliğinden bir kişinin baktığı görüntüyü yeniden kuran araştırmalar, beyin arayüzlerinin potansiyelini gösterdi; ancak mevcut örnekler MRI cihazı gerektirdiğinden giyilebilir cihaz olarak kullanılması zor
• Mevcut beyin arayüzü donanımı iki uç arasında bölünüyor
  • Kafatasına delik açıp elektrotları beyne yerleştiren yöntem
  • Başın dışından EEG ile beyin etkinliğini kaydeden, ancak görüntüsü bulanık kalan yöntem
• Aleph, delme işlemi olmadan MRI düzeyinde beyin ayrıntısı sunan yeni bir donanım geliştiriyor

Ultrasonun kan akışı üzerinden beyin etkinliğini okuma biçimi

• Bu donanım ultrason temelli ve damar sistemi ile nöronlar arasındaki bağlantıyı kullanıyor
• Nöronlar ateşlendiğinde ilgili bölgeye daha fazla kan sağlanıyor
• Kafatasını geçen ultrason, kırmızı kan hücrelerinden saçılıyor ve bu sinyalle tüm beynin kan akışı ve kan hacmi haritası oluşturulabiliyor

Genel amaçlı bir beyin arayüzü için iki koşul

• Aleph, genel amaçlı bir beyin arayüzü için iki koşul gerektiğini düşünüyor

• Geniş beyin bölgelerini gözlemleme

  • 1000 elektrot kullanılsa bile beynin en fazla yaklaşık %0,001'i yakalanabiliyor
  • Bu düzey, imleç kontrolü gibi dar görevlerde yararlı olsa da düşünce beynin tamamına dağılmış durumda

• Yüksek çözünürlük

  • EEG ve MEG geniş görüş alanına sahip olsa da beyin etkinliği görüntüleri bulanık
  • Bu, elektrik ve manyetik alanların yayılma biçiminden kaynaklanan temel bir sınır; sensör sayısını milyonlara çıkarmak da bunu çözmüyor
  • Nörovasküler ultrason, MRI gibi her iki koşulu da karşılayabilir ve fiziksel olarak tüm beyinde milimetrenin altında boyutlara sahip 1 milyon bağımsız pikseli kaydedebilir

Sağlam kafatasından geçen ilk 3D damar görüntüsü

• Aleph'in açıkladığı sonuçlar, sağlam kafatası üzerinden ultrasonla çekilmiş yaşayan insan beyninin en ayrıntılı damar görüntüsü
• Yeniden oluşturulan damar hacminde büyük damarlar, pia arterleri ve arteriyoller görülebiliyor
• İnsan beyninde kafatası üzerinden elde edilmiş dünyanın ilk 3D ultrason lokalizasyon mikroskopisi görüntüsü
• Karşılaştırılabilir CT'ye göre hacim bazında 100 kat daha yüksek çözünürlük elde edildi
  • Ancak bu değer, süper çözünürlük tekniği kullanılarak elde edildi ve bu teknik yalnızca kontrast madde tabanlı nörovasküler ultrasonda mümkün
• Aleph, transkraniyal mikro kabarcık görüntülemenin kendi hedefinin ötesinde de birçok kullanım alanı olacağını düşünüyor ve tüm pipeline ile veri kümesini açık kaynak olarak yayımlıyor
• İnme, Alzheimer hastalığı ve travmatik beyin hasarı; CT ve MRI'ın çözünürlük nedeniyle yakalayamadığı ölçekte damar imzaları bırakıyor ve Aleph, bu çözünürlükteki görüntülemenin o alana ulaşacağını düşünüyor

Mikro kabarcıklarla kırınım sınırını aşan işleme pipeline'ı

• Mikro kabarcıklar, ultrasonun kırınım sınırını aşmak için kullanılıyor
• Normal ultrason, yaklaşık bir dalga boyundan daha yakın iki nesneyi ayıramaz ve daha ince yapılar tek bir kütle gibi görünür
• Tek bir mikro kabarcık, dalga boyu genişliğinde bulanık bir nokta gibi görünse de alt piksel fitting ile merkezi dalga boyundan çok daha hassas biçimde tahmin edilebilir
• Temel değişken kabarcık yoğunluğu
  • Kabarcıklar yeterince seyrek veriliyor ki her kabarcığın bulanık noktası birbiriyle çakışmasın
  • Damarlar boyunca akan kabarcıkların milyonlarca konumu biriktiriliyor
  • Bu konumlar üst üste konarak dalga boyundan daha ince tek bir görüntü oluşturuluyor
• Kabarcıklar, lipit kabukla çevrili sülfür hekzaflorür cepleri ve FDA onaylı bir kontrast madde
• Aleph, 4 dakikalık çekim boyunca kabarcıkları sürekli veriyor
• Gazın akustik empedansı dokudan büyük ölçüde farklı olduğu için ses kabarcık yüzeyinde güçlü biçimde yansıyor; bu da hem sinyal güçlendirmeye hem de süper çözünürlüğe katkı sağlıyor
• Kareler arasında kabarcık merkezleri bağlandığında 3D yörüngeler oluşuyor ve bunların yönü ile hızı üzerinden yaşayan mikrovasküler sistemdeki kan akışı takip edilebiliyor

Kontrastsız nörovasküler ultrasona giden yol

• Aleph, kontrast madde tabanlı sonuçları ara aşama olarak görüyor ve nihai hedefi kontrastsız nörovasküler beyin görüntüleme olarak belirliyor

• Donanımdaki değişim

  • Geçmişte ultrason cihazları 100 bin doların üzerindeydi ve elektronikle dolu bir araba gerektiriyordu
  • Butterfly gibi şirketler sayesinde bugün ultrason cihazları akıllı telefonlara yakın fiyat ve boyuta indi, ayrıca gelişmeye devam ediyor

• Veri ve makine öğrenimi

  • Kontrastsız görüntüleme daha zor
  • Kırmızı kan hücreleri, mikro kabarcıklardan çok daha zayıf saçıldığından sinyal de daha zayıf
  • Aleph, bu sinyalin kaybolmadığını; yalnızca mevcut yöntemlerin onu yeterince çıkaramadığını düşünüyor
  • Standart ultrason probları saatte terabayt düzeyinde veri alıyor, ancak tipik işleme pipeline'ları bunu ham verinin %0,1'ine sıkıştırıyor
  • Mevcut pipeline'lar elle tasarlanmış özelliklere dayanıyor ve Aleph bunu erken dönem bilgisayarlı görüye benzetiyor
  • Yeterince büyük veri kümesiyle eğitilmiş end-to-end makine öğreniminin mevcut yöntemlerden çok daha fazla sinyali geri kazanabileceğini düşünüyor
  • Aleph, şu anda dünyanın en büyüklerinden biri olduğunu düşündüğü nörovasküler ultrason veri kümesini topluyor

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Hamilelerde kullanılan düzeydeki düşük yoğunluklu ultrason bile beynin mikro yapısında değişikliklere yol açabiliyor[0]; özellikle aksonların miyelin kılıfları arasındaki boşluklar olan Ranvier düğümlerinde değişimler görüldüğü söyleniyor
  İnceleme makalesi olarak [1] de bakmaya değer
  [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/

  • Her ses bir titreşim olduğundan, titreşim bir maddenin içinden geçip onu fiziksel olarak hareket ettirdiği sürece eninde sonunda bir ölçüde etki eder
    İnsanların duyabilmesinin nedeni, işitilebilir frekans aralığının iç kulaktaki reseptörleri hareket ettirmesidir; bu etki yalnızca kulakta yerel olarak kalmadığı için tüm beyin de etkilenir, ancak biyolojik olarak buna uyum sağlamıştır
    Bir ağaca vurduğunuzda insanın işitme aralığının altındaki, işitilebilir aralıktaki ve işitilebilir aralığın üstündeki ultrasona kadar birçok frekansta ses oluşur. Genel olarak daha tehlikeli olan, frekansı ne olursa olsun sürekli gürültüdür; özellikle de düşük frekansta büyük genlikliyse bedeni fiziksel olarak itebileceği için zararlıdır
  • Ultrason beyni etkiliyorsa, belirli desenlerle tahribatsız beyin uyarımı yapmak da mümkün olabilir mi diye düşünüyorum

• Harika bir çalışma ve kavram kanıtı da ilginç, ancak epey abartı ve eksik bilgi olduğu için eleştirel bakmak gerekiyor gibi görünüyor
  En büyük eksik, mevcut tıbbi görüntüleme teknolojileriyle karşılaştırma ve doğrulama. Kontrast maddesiz tüm beyin nörovasküler görüntüleme aslında MRI ile çözülmüş bir alan; neden MRI çekimiyle karşılaştırmadıklarını merak ediyorum
  Ultrasonun taşınabilir ve ucuz olduğu doğru, ancak tıbbi iş akışlarında çoğu şehirde MRI da oldukça yaygın ve maliyeti makul sayılır; düşük alanlı beyin MRI’ı da taşınabilirlik ve maliyet sorununu bir ölçüde azaltıyor
  Bu ürünü giyilebilir bir telepati cihazı gibi konumlandırıyor gibiler; bu farklılaşma açısından uygun olsa da “nasıl çalıştığını bilmeye gerek yok” çerçevesini de çağrıştırıyor ve bu da tersine şüpheciliği ve daha yüksek doğrulama standardı talebini artırıyor

  • “MRI çoğu şehirde makul maliyetle yaygın” ifadesi gerçeklikle örtüşmeyebilir
    Sözde gelişmiş ülkelerde yaşasanız bile vatandaşların tek bir MRI çektirmek için aylarca, hatta bazen bir yıldan fazla beklemesi yaygın. Bu yalnızca MRI cihazı değil, tüm sağlık sistemiyle ilgili bir sorun; ama cihaz bir-iki basamak daha ucuz ve işletmesi de daha kolay olursa erişilebilirlik kesinlikle çok daha iyi olur gibi görünüyor
    Referans değerlerle karşılaştırma gerektiği noktasına katılıyorum ve burada görünen sonuçları doğrulamak için bu tür çalışmaları bolca yapmış olmalarını umuyorum
  • Makaleye göre bu ultrason cihazının fiyatı bir akıllı telefon civarında, yaklaşık 4.000 dolar
    MRI cihazları kabaca bunun 1.000 katı kadar pahalı
  • Kanada’da MRI için tipik bekleme süresi 2 ay

• Bu yüksek çözünürlüklü görüntü, lipit kabukla kaplı sülfür hekzaflorür mikrokabarcık kontrast maddesinin seyrek biçimde enjekte edilmesiyle oluşturulmuş
  O kabarcıkların ne kadar seyrek olduğunu ve gördüğümüz görüntünün zaman içinde birden fazla kabarcığın üst üste biriktirilip sentezlenmesiyle mi oluşturulduğunu merak ediyorum
  Sonda kabarcıklar olmadan da deneme hedefi iyi, ancak o sıçrama epey “şimdi baykuşun geri kalanını çizin” hissi veriyor. İlk teknik tamamen mikrokabarcıklara dayanıyor; teknolojinin gelişmekte olduğuna dair muğlak sözler dışında, kabarcık olmadan bunun neden mümkün olacağını açıklamıyor

• Eritrosit görüntüleme açısından bakınca, burada kullanılan süper çözünürlük tekniği büyük ölçüde kabarcıkların seyrek olmasına dayanıyor
  Düşük çözünürlükte tek bir nokta ya da çok seyrek bir nokta kümesi düşünün; net görünmese bile konumunu kestirebilirsiniz. Bu, radyo astronomide ve muhtemelen astrometride de yaygın bir teknik; sıkıştırılmış algılama da bir dönem çok popüler bir alandı
  Ancak eritrositler yumuşak ve tuhaf nesneler; kan akışını da epey yoğun biçimde doldururlar. ChatGPT tahminine göre birbirlerinden yaklaşık 20µm uzaktalar ve kılcal damar içinde uzunlukları yaklaşık 7µm; bu makul görünüyor
  Eritrositlerin çok daha kötü saçılma özelliklerini göz ardı etsek bile pek seyrek değiller. Fiilen seyreklik boyutlarından birini neredeyse kaybedip tüm kılcal damarı çözmek zorunda kalıyorsunuz; mümkün olabilir ama çok daha zor. Ne yazık ki beyin kılcal damarları arasındaki mesafe yaklaşık 40µm olduğundan sonuç berbat da olabilir
  Makalede kullanılan dalga boyu ya da temel çözünürlük, yani dalga boyu/2 çözünürlüğün ne olduğu belirtilmiyor

  • Tamamen seyrekliğe dayanan bir tekniği gösterdikten sonra bunu hiç de seyrek olmayan kan hücrelerine de uygulayacaklarını söylemek biraz yanıltıcı hissettiriyor
    Gerçekleşirse güzel olur, ama belirgin sınırları aşmak için makul bir yol sunulmayan teknolojiler kategorisine koyarım
  • Bu alanda tamamen yabancıyım, ancak makalede AI/ML’nin, alyuvarların neden olduğu saçılma gibi probun topladığı büyük veri içinde bulunan ama elle yapılan tekniklerle kullanılamayacak kadar zayıf bilgiyi çekip çıkaran modeller oluşturabileceğinin umulduğu söyleniyordu
    Bunun için muazzam miktarda veri gerekir ve görünüşe göre şimdi yaptıkları cihazla tam da o veriyi toplamaya çalışıyorlar
  • Genel astronomide de bunun dithering ile birlikte kullanıldığını biliyorum

• Görüntüleme teknolojisinin kendisi harika, ama ana sayfa biraz utandırıcı
  İma ettikleri düzeyde zihin okumanın yalnızca hemodinamikle en baştan yeniden kurulamayacağına dair oldukça ikna edici bir mantık var. Sinir devrelerinin spike’larını değil de kanı kaydetmeye başladığınız anda boyut geri döndürülemez biçimde kaybolur; VC’lerin “telepathy” kelimesini görüp hayal ettiği şeyin bu dönüşümden sonra hâlâ kalıp kalmadığı hiç net değil
  Ellerindeki şey daha çok bir mahallenin yemek teslimatı verilerine benziyor. Partinin ne zaman verileceği gibi epey çok şeyi anlayabilirsiniz, ama en havalı kıyafeti kimin giydiğini ve akşam yemeğinde ne konuşulduğunu anlayamazsınız. O bilgi arayüzü geçerken basitçe hayatta kalmaz
  Bilgiye dayalı yorum ile zihin okuma arasında muazzam bir uçurum var

• Safça bir soru ama ses dalgaları kullanıldığı düşünülürse gecikme süresi sorunu olmaz mı merak ediyorum

• Meta da bu alanda çalıştığı için [0], yakın geleceğe dair Orwellvari soruların akla gelmemesi mümkün değil
  Evcil faremizi sinemaya götürsek ve bir arkadaşımız Apple iFMRI ile filmi yeniden tarasa DRM hâlâ geçerli olur mu, yoksa fareler DRM kilidine mi takılır?
  Bir bilgisayarı başlatmak için yalnızca iris yeterli olur mu, yoksa “tüm beyin dalgası çerezlerini kabul et”e basmak mı gerekir?
  Mahalleye yeni bir Brain Pole kurulması için yerel Flock yetkilisine e-posta atabilir miyiz? Karanlık düşünceleri olan birkaç genç erkek görüldü ve Amazon düşünce kamerası kargo kaybı olasılığının arttığını söyledi.
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • Bilimkurgu kâbusu gibi olduğu doğru, ama pratik değil
    Bu görüntüleme tekniklerinin hepsi epey karmaşık. Ultrason doğrudan temas gerektiriyor ve bu teknik ancak kabarcıkların uzun süre damar yoluyla verilmesiyle çalışıyor. fMRI da birçok nedenden dolayı bir şeye doğrultulabilecek taşınabilir bir cihaz hâline gelmeye pek uygun değil
    Düşüncelerle bağlantısı da gerçeklikten çok bilimkurguya yakın. Teoride bu teknik, çeşitli bölgelerdeki kan akışı değişimlerini görebilir; ama bu ne anlama gelir? Hastanın kaygılı mı olduğunu, yoksa beyne gidecek kabarcıklar IV ile verildiği ve kafasına bir makine bağlandığı için mi gerildiğini ayırt etmek zor
  • Delicesine yaygınlaşmış gözetim teknolojisi varken bile kargoların çalınmaya devam ettiği, hırsızlar o gözetim ağına “yakalansa” bile kimsenin yaptırım uygulamadığı bugünkü dünya gerçekten ilginç
    Orwell buna ne derdi, merak ediyorum

• Gereksiz korku yaymaya çalışmıyorum ama ultrasonu bu şekilde kullanmanın güvenli olup olmadığını merak ediyorum
  Anladığım kadarıyla temelde yüksek frekanslı ses dalgaları olduğu için çoğu doku için sorun olmayabilir; ama burada kırmızı kan hücrelerinden saçıldığı söylenince nedense tedirgin edici geliyor

  • Dalgalar her şeyden saçılır, dolayısıyla bu başlı başına endişe edilecek bir nokta değil
    Şiddete, frekansa ve hedef dokuya bağlı olarak ultrason etkileri olabilir. Başka bir yerde bu konuda birkaç akademik makale linkleyen biri de vardı
    Beyinde kullanılması konusunda ben de çekinirim. En azından uzun süreli hayvan modeli testlerinin kapsamlı şekilde yapılması gerekir. Memelilere 10 yıl boyunca her gün uygulanıp kontrol grubuyla karşılaştırıldığında olumsuz etki olmadığının gösterilmesi gerekir

• Geçen hafta boyunca ultrason her şeyi çözecekmiş gibi bir hava var

  • Bunlar birbiriyle ilişkili olaylar :)
    Bu yazının arkasındaki ekip, en azından birkaç ay öncesi itibarıyla Midjourney ile çalışıyordu
  • Geçen haftaki Midjourney tartışması sırasında, ultrasonla böyle bir kullanımın imkânsız olduğunu çok kesin biçimde söyleyen çok kişi vardı
  • Daha ilginç yönün, çeşitli hastalıklara çözüm olarak önerilen odaklanmış ultrason olduğunu düşünüyorum

• Damar içine SF6 enjekte etmenin FDA onayı alacak kadar güvenli olduğunu kimin düşüneceğini merak ettirdiği için ilginç

  • Wikipedia’ya göre SF6 “renksiz, kokusuz, yanıcı olmayan, toksik olmayan bir gaz”
    Ultrason kontrast maddesi olarak kullanıldığında “tümör vaskülaritesini incelemek için” kullanılmış ve bu, asıl yazıdaki kullanıma benziyor. Ayrıca “kanda 3 ila 8 dakika boyunca görünür ve akciğerler yoluyla solunumla atılır” deniyor
    İlk düşündüğüm gibi karaciğerde toplanıp atılan bir mekanizma değil
  • Mikrokabarcık kontrastlı ultrason (CEUS) klinikte 20 yıldan uzun süredir kullanılıyor
    Bracco’nun SonoVue/Lumason’u veya GE Healthcare’in Optison’u gibi çok sayıda kontrast madde üreticisi de var. Sadece güvenlik açısından bakıldığında CT’deki iyotlu kontrast maddelerden veya MRI’daki gadolinyum kontrast maddelerinden daha iyi olma ihtimali yüksek ve şu anda oldukça yerleşik bir teknoloji