Imager le cerveau par ultrasons

• Aleph développe un matériel d’interface cérébrale basé sur les ultrasons permettant d’observer à haute résolution l’activité vasculaire du cerveau sans ouvrir le crâne, avec l’objectif de combiner, comme l’IRM, un large champ d’observation et une résolution fine
• Cette approche exploite le couplage neurovasculaire, par lequel davantage de sang est acheminé vers les zones où les neurones sont activés, afin de créer des cartes du débit sanguin et du volume sanguin à partir des signaux ultrasonores diffusés après traversée du crâne
• Les résultats publiés constituent les images vasculaires les plus détaillées d’un cerveau humain vivant obtenues à travers un crâne intact, et le premier exemple de microscopie de localisation ultrasonore 3D transcrânienne du cerveau humain
• En perfusant en continu un agent de contraste à microbulles pendant 4 minutes, Aleph a atteint une résolution volumique 100 fois supérieure à celle d’un CT comparable, mais cette technique de super-résolution n’est possible que dans la version avec agent de contraste
• L’objectif final est l’imagerie neurovasculaire ultrasonore sans contraste ; la récupération des faibles signaux diffusés par les globules rouges nécessitera de grands volumes de données et du machine learning end-to-end

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Imagerie de l’activité cérébrale sans ouvrir le crâne

• Les recherches capables de reconstruire l’image qu’une personne regarde uniquement à partir de son activité cérébrale ont montré le potentiel des interfaces cérébrales, mais les exemples existants nécessitent un équipement IRM, ce qui les rend difficiles à utiliser sous forme de dispositif portable
• Le matériel actuel d’interface cérébrale se divise en deux extrêmes
  • Percer un trou dans le crâne et insérer des électrodes dans le cerveau
  • Enregistrer l’activité cérébrale depuis l’extérieur de la tête avec l’EEG, mais avec des images floues
• Aleph conçoit un nouveau matériel qui fournit des détails cérébraux de niveau IRM sans forage

Comment les ultrasons lisent l’activité cérébrale via le flux sanguin

• Ce matériel repose sur les ultrasons et exploite le lien entre le système vasculaire et les neurones
• Quand des neurones déchargent, davantage de sang est acheminé vers la zone concernée
• Les ultrasons qui traversent le crâne sont diffusés par les globules rouges, et ce signal permet de créer des cartes du débit sanguin et du volume sanguin dans l’ensemble du cerveau

Les deux conditions d’une interface cérébrale universelle

• Aleph estime qu’une interface cérébrale universelle doit remplir deux conditions

• Observer de vastes régions du cerveau

  • Même avec 1 000 électrodes, on ne capte au maximum qu’environ 0,001 % du cerveau
  • Cela peut être utile pour des tâches étroites comme le contrôle d’un curseur, mais la pensée est distribuée dans tout le cerveau

• Une haute résolution

  • L’EEG et la MEG ont un large champ de vision, mais les images de l’activité cérébrale sont floues
  • C’est une limite fondamentale liée à la propagation des champs électriques et magnétiques, que l’on ne résout pas en portant le nombre de capteurs à plusieurs millions
  • L’échographie neurovasculaire peut satisfaire les deux conditions, comme l’IRM, et peut physiquement enregistrer 1 million de pixels indépendants dans l’ensemble du cerveau, avec une taille inférieure au millimètre

Première image vasculaire 3D à travers un crâne intact

• Les résultats publiés par Aleph sont les images vasculaires les plus détaillées d’un cerveau humain vivant obtenues par ultrasons à travers un crâne intact
• Dans le volume vasculaire reconstruit, on distingue de grands vaisseaux, des artères pie-mériennes et des artérioles
• Il s’agit de la première image au monde de microscopie de localisation ultrasonore 3D obtenue à travers le crâne dans le cerveau humain
• La résolution volumique obtenue est 100 fois supérieure à celle d’un CT comparable
  • Ce chiffre résulte toutefois de l’utilisation d’une technique de super-résolution, possible uniquement avec l’échographie neurovasculaire basée sur un agent de contraste
• Aleph estime que l’imagerie transcrânienne par microbulles aura de nombreuses applications au-delà de ses propres objectifs, et publie en open source l’ensemble de son pipeline et de son dataset
• Les AVC, la maladie d’Alzheimer et les traumatismes crâniens laissent des signatures vasculaires à une échelle que le CT et l’IRM ne peuvent pas saisir par leur résolution, et Aleph pense que l’imagerie à cette résolution permettra d’atteindre ce domaine

Un pipeline de traitement qui dépasse la limite de diffraction grâce aux microbulles

• Les microbulles sont utilisées pour dépasser la limite de diffraction des ultrasons
• L’échographie classique ne peut pas séparer deux objets plus proches qu’environ une longueur d’onde, et les structures plus fines apparaissent comme un seul amas
• Une microbulle isolée apparaît comme un point flou de la largeur d’une longueur d’onde environ, mais un ajustement sous-pixel permet d’estimer son centre avec une précision bien supérieure à la longueur d’onde
• La variable clé est la concentration de bulles
  • Les bulles sont injectées assez rarement pour que les points flous correspondant à chacune ne se chevauchent pas
  • Des millions de positions de bulles circulant le long des vaisseaux sont accumulées
  • Ces positions sont empilées pour produire une image unique plus fine que la longueur d’onde
• Les bulles sont des poches d’hexafluorure de soufre entourées d’une coque lipidique, et constituent un agent de contraste approuvé par la FDA
• Aleph injecte les bulles en continu pendant une acquisition de 4 minutes
• Le gaz ayant une impédance acoustique très différente de celle des tissus, le son est fortement réfléchi à la surface des bulles, ce qui contribue à la fois à l’amplification du signal et à la super-résolution
• En reliant les centres des bulles d’une image à l’autre, on obtient des trajectoires 3D, dont la direction et la vitesse permettent de suivre le flux sanguin dans la microvascularisation vivante

Vers l’échographie neurovasculaire sans contraste

• Aleph considère les résultats avec agent de contraste comme une étape intermédiaire, et fixe comme destination finale l’imagerie cérébrale neurovasculaire ultrasonore sans contraste

• Évolution du matériel

  • Les anciens appareils d’échographie coûtaient plus de 100 000 dollars et nécessitaient un chariot rempli d’électronique
  • Grâce à des entreprises comme Butterfly, les appareils d’échographie actuels se rapprochent du prix et de la taille d’un smartphone, et continuent de s’améliorer

• Données et machine learning

  • L’imagerie sans contraste est plus difficile
  • Les globules rouges diffusent beaucoup plus faiblement que les microbulles, le signal est donc faible
  • Aleph considère que ce signal n’a pas disparu, mais que les méthodes actuelles ne l’extraient pas suffisamment
  • Une sonde d’échographie standard reçoit des téraoctets de données par heure, mais les pipelines de traitement classiques les compressent à 0,1 % des données d’origine
  • Les pipelines existants reposent sur des caractéristiques conçues à la main, et Aleph y voit une situation comparable aux débuts de la vision par ordinateur
  • Aleph estime que le machine learning end-to-end entraîné sur un dataset suffisamment vaste pourra récupérer bien plus de signal que les méthodes actuelles
  • Aleph collecte actuellement ce qu’elle considère comme le plus grand dataset d’échographie neurovasculaire au monde

[GN⁺]

Avis sur Hacker News

• Même des ultrasons de faible intensité du niveau de ceux utilisés chez les femmes enceintes peuvent provoquer des modifications de la microstructure du cerveau[0], notamment au niveau des nœuds de Ranvier, les intervalles entre les gaines de myéline des axones
  L’article de revue [1] mérite aussi d’être consulté
  [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/

  • Tout son étant une vibration, dès lors qu’une vibration traverse la matière et la met physiquement en mouvement, elle finit forcément par avoir un certain effet
    Si les humains peuvent entendre, c’est parce que la plage de fréquences audibles met en mouvement les récepteurs de l’oreille interne, et comme cet effet ne reste pas localisé uniquement à l’oreille, l’ensemble du cerveau est aussi affecté, même s’il y est biologiquement adapté
    Quand on frappe du bois, cela produit des sons à plusieurs fréquences, en dessous de la plage audible humaine, dans cette plage, et au-dessus, jusqu’aux ultrasons. En général, ce qui est le plus dangereux est le bruit continu, quelle que soit la fréquence, surtout s’il est de basse fréquence et de grande amplitude, car il peut pousser physiquement le corps et donc être nocif
  • Si les ultrasons ont un effet sur le cerveau, on pourrait peut-être aussi faire de la stimulation cérébrale non destructive avec des motifs particuliers

• Beau travail, et la preuve de concept est intéressante, mais il y a pas mal d’exagération et d’informations manquantes, donc il me semble nécessaire de garder un regard critique
  Le plus gros manque est la comparaison et la validation par rapport aux techniques d’imagerie médicale existantes. L’imagerie neurovasculaire de l’ensemble du cerveau sans agent de contraste est en pratique un domaine déjà couvert par l’IRM, et je me demande pourquoi ils ne l’ont pas comparée à une acquisition IRM
  Il est vrai que l’échographie est portable et bon marché, mais dans les workflows médicaux, l’IRM est aussi assez largement disponible dans la plupart des villes et son coût reste relativement raisonnable, tandis que l’IRM cérébrale à bas champ réduit déjà en partie les problèmes de portabilité et de coût
  Ils semblent positionner ce produit comme un dispositif de télépathie portable, ce qui sert la différenciation, mais cela amène aussi un cadrage du type « pas besoin de comprendre comment ça marche », qui suscite plutôt du scepticisme et appelle un niveau de validation plus élevé

  • Dire que « l’IRM est largement disponible à un coût raisonnable dans la plupart des villes » peut ne pas correspondre à la réalité
    Même dans des pays dits développés, il est courant que des citoyens attendent des mois, parfois plus d’un an, pour passer une IRM. Ce n’est pas seulement un problème d’équipement IRM, mais de système de santé dans son ensemble ; cela dit, si l’équipement devient un ou deux ordres de grandeur moins cher et plus simple à exploiter, l’accessibilité s’améliorerait clairement beaucoup
    Je suis d’accord qu’il faut une comparaison avec une référence, et j’espère qu’ils ont fait beaucoup de travail de ce type pour valider les résultats présentés ici
  • D’après l’article, cet équipement à ultrasons coûterait à peu près le prix d’un smartphone, environ 4 000 dollars
    Une machine IRM coûte environ 1 000 fois plus cher
  • Au Canada, le délai d’attente typique pour une IRM est de 2 mois

• Cette image haute résolution est produite en injectant à faible concentration un agent de contraste à microbulles d’hexafluorure de soufre entourées d’une enveloppe lipidique
  Je me demande à quel point ces bulles sont rares, et si l’image que nous voyons est une composition accumulant plusieurs bulles au fil du temps
  L’objectif annoncé à la fin, consistant à faire la même chose sans bulles, est louable, mais ce saut ressemble beaucoup à « dessinez maintenant le reste du hibou ». La première technique repose entièrement sur les microbulles, et à part des formules vagues disant que la technologie progresse, rien n’explique pourquoi cela devrait être possible sans bulles

• Si l’on considère l’imagerie des globules rouges, la technique de super-résolution utilisée ici dépend fortement du fait que les bulles soient rares
  Si l’on imagine un point isolé, ou un ensemble de points très clairsemé, à basse résolution, on peut en retrouver la position même s’il n’est pas nettement visible. C’est une technique courante en radioastronomie et probablement aussi en astrométrie, et le compressed sensing a aussi été un domaine très en vogue à une époque
  Mais les globules rouges sont des objets mous et bizarres, et ils remplissent le flux sanguin de façon assez dense. D’après une estimation de ChatGPT, ils seraient séparés d’environ 20 µm les uns des autres, et mesureraient environ 7 µm de long dans les capillaires, ce qui paraît plausible
  Même en laissant de côté les propriétés de diffusion bien plus défavorables des globules rouges, ils ne sont pas particulièrement rares. En pratique, on perd presque une dimension entière de parcimonie et il faut résoudre l’ensemble du capillaire, donc c’est peut-être possible, mais beaucoup plus difficile. Malheureusement, comme l’espacement entre capillaires cérébraux est d’environ 40 µm, le résultat pourrait être catastrophique
  L’article ne donne pas la longueur d’onde utilisée ni la résolution de base, c’est-à-dire la résolution à longueur d’onde/2

  • Après avoir montré une technique qui repose entièrement sur la parcimonie, dire qu’on va aussi l’appliquer à des cellules sanguines qui ne sont pas du tout clairsemées me paraît quelque peu trompeur
    Ce serait formidable si cela se concrétisait, mais je classerais cela parmi les technologies pour lesquelles aucune voie plausible n’est proposée pour dépasser des limites évidentes
  • Je suis totalement profane dans ce domaine, mais l’article disait espérer que l’IA/ML permette de créer des modèles capables d’extraire des informations présentes dans les grandes quantités de données collectées par la sonde, comme la diffusion due aux globules rouges, mais trop faibles pour être exploitées avec des méthodes manuelles
    Il faudrait pour cela énormément de données, et il semble qu’ils veuillent justement les collecter avec l’appareil qu’ils viennent de construire
  • Il me semble qu’en astronomie classique aussi, on utilise ce genre de méthode avec le dithering

• La technologie d’imagerie elle-même est impressionnante, mais le site web est un peu gênant
  Il existe un argument assez convaincant selon lequel le niveau de lecture de l’esprit qu’ils suggèrent est impossible à reconstruire à partir de la seule hémodynamique. Dès l’instant où l’on commence à enregistrer le sang plutôt que les spikes des circuits neuronaux, des dimensions d’information sont perdues de façon irréversible, et il n’est pas du tout évident que ce que les VC imaginent en voyant le mot « telepathy » survive à cette transformation
  Ce qu’ils ont ressemble plutôt aux données de livraison de repas d’un quartier. On peut en déduire pas mal de choses, comme le moment où une fête a lieu, mais pas qui portait la tenue la plus élégante ni de quoi les gens ont parlé pendant le dîner. Cette information ne survit tout simplement pas au passage par l’interface
  Il y a un gouffre immense entre une interprétation fondée sur l’information et la lecture de l’esprit

• Question naïve : puisqu’on utilise des ondes sonores, je me demande s’il n’y a pas un problème de latence

• Meta travaille aussi sur ce sujet [0], donc difficile de ne pas voir surgir des questions orwelliennes sur un avenir proche
  Si j’emmène ma souris de compagnie au cinéma et qu’un ami rescane le film avec Apple iFMRI, le DRM reste-t-il valable, ou bien les souris se retrouvent-elles verrouillées par DRM ?
  Un iris suffira-t-il pour démarrer son ordinateur, ou faudra-t-il cliquer sur « accepter tous les cookies d’ondes cérébrales » ?
  Pourra-t-on envoyer un e-mail au responsable Flock local pour demander l’installation d’un nouveau Brain Pole dans le quartier ? On a vu plusieurs jeunes hommes aux pensées sombres, et la caméra à pensées d’Amazon a indiqué une probabilité accrue de colis perdus
  [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

  • C’est bien un cauchemar de science-fiction, mais ce n’est pas très pratique
    Toutes ces techniques d’imagerie sont assez complexes. L’échographie nécessite un contact direct, et cette méthode ne fonctionne qu’avec une longue perfusion intraveineuse de microbulles. L’IRMf, elle aussi, aura du mal à devenir un appareil portable qu’on pourrait pointer vers quelque chose, pour plusieurs raisons
    Le lien avec les pensées relève davantage de la science-fiction que de la réalité. En théorie, cette technique pourrait observer les variations du flux sanguin dans plusieurs régions, mais qu’est-ce que cela signifierait ? Il serait difficile de distinguer si le patient est anxieux, ou simplement tendu parce qu’on lui injecte par IV des bulles destinées au cerveau et qu’on lui a fixé une machine sur la tête
  • Le monde actuel est franchement intéressant : malgré des technologies de surveillance incroyablement généralisées, les colis continuent d’être volés, et même quand les voleurs sont « pris » par ce réseau de surveillance, personne ne fait appliquer quoi que ce soit
    Je me demande ce qu’Orwell en aurait pensé

• Je ne cherche pas à semer une peur inutile, mais je me demande s’il est sûr d’utiliser les ultrasons de cette manière
  D’après ce que je comprends, ce sont essentiellement des ondes sonores à haute fréquence, donc cela peut être acceptable pour la plupart des tissus, mais ici on dit qu’elles sont diffusées par les globules rouges, et je ne sais pas pourquoi, ça me met mal à l’aise

  • Les ondes sont diffusées par tout, donc ce n’est pas en soi un sujet d’inquiétude
    Selon l’intensité, la fréquence et le tissu ciblé, il peut y avoir des effets des ultrasons. Quelqu’un avait aussi mis en lien ailleurs quelques articles scientifiques sur le sujet
    Pour une utilisation sur le cerveau, moi aussi j’hésiterais. À tout le moins, il faudrait des essais approfondis sur des modèles animaux à long terme. L’appliquer quotidiennement à des mammifères pendant 10 ans et montrer, par comparaison avec un groupe témoin, qu’il n’y a pas d’effet négatif

• Toute la semaine dernière, j’ai eu l’impression que les ultrasons allaient tout résoudre

  • Ce sont des événements liés :)
    L’équipe derrière cet article travaillait avec Midjourney, du moins il y a encore quelques mois
  • Lors de la controverse autour de Midjourney la semaine dernière, beaucoup de gens affirmaient haut et fort qu’un tel usage était impossible avec les ultrasons
  • La piste la plus intéressante, à mon avis, est celle des ultrasons focalisés, proposés comme solution pour plusieurs maladies

• Je trouve intéressant que quelqu’un ait estimé que l’injection de SF6 dans les vaisseaux sanguins soit assez sûre pour obtenir l’approbation de la FDA

  • Selon Wikipedia, le SF6 est un « gaz incolore, inodore, ininflammable et non toxique »
    Lorsqu’il est utilisé comme agent de contraste échographique, il a servi à « examiner la vascularisation des tumeurs », ce qui est similaire à l’usage décrit dans l’article d’origine. Il est également dit qu’il est « visible dans le sang pendant 3 à 8 minutes et expiré par les poumons »
    Ce n’est donc pas un mode d’élimination où il s’accumule dans le foie avant d’être évacué, comme je l’avais d’abord pensé
  • L’échographie de contraste à microbulles (CEUS) est utilisée en clinique depuis plus de 20 ans
    Il existe aussi de nombreux fabricants d’agents de contraste, comme SonoVue/Lumason de Bracco ou Optison de GE Healthcare. Du seul point de vue de la sécurité, elle est probablement préférable aux produits de contraste iodés du CT ou aux agents à base de gadolinium de l’IRM, et c’est aujourd’hui une technique assez bien établie