초음파로 뇌를 촬영하기

• Aleph는 두개골을 열지 않고 뇌 혈관 활동을 고해상도로 보는 초음파 기반 뇌 인터페이스 하드웨어를 개발하며, MRI처럼 넓은 범위와 세부 해상도를 동시에 노림
• 이 방식은 뉴런 활성화 부위로 혈액이 더 공급되는 신경혈관 결합을 이용해, 두개골을 통과한 초음파 산란 신호로 혈류와 혈액량 지도를 만듦
• 공개 결과는 살아 있는 인간 뇌를 온전한 두개골 너머로 촬영한 가장 상세한 혈관 이미지로, 인간 뇌의 경두개 3D 초음파 위치현미경 첫 사례임
• 미세기포 조영제를 4분 동안 지속 주입해 비교 가능한 CT보다 체적 기준 100배 높은 해상도를 달성했지만, 이 초해상도 기법은 조영제 버전에서만 가능함
• 최종 목표는 무조영 신경혈관 초음파 이미징이며, 약한 적혈구 산란 신호를 복원하려면 대규모 데이터와 end-to-end 머신러닝이 필요함

두개골을 열지 않는 뇌 활동 이미징

• 뇌 활동만으로 사람이 보고 있는 이미지를 복원하는 연구는 뇌 인터페이스의 가능성을 보여줬지만, 기존 예시는 MRI 장비가 필요해 착용형 기기로 쓰기 어려움
• 현재 뇌 인터페이스 하드웨어는 두 극단으로 나뉨
  • 두개골에 구멍을 뚫고 전극을 뇌에 삽입하는 방식
  • 머리 밖에서 EEG로 뇌 활동을 기록하지만, 이미지가 흐릿한 방식
• Aleph는 드릴링 없이 MRI 수준의 뇌 세부정보를 제공하는 새 하드웨어를 만들고 있음

초음파가 혈류로 뇌 활동을 읽는 방식

• 이 하드웨어는 초음파를 기반으로 하며, 혈관계와 뉴런 사이의 연결을 이용함
• 뉴런이 발화하면 해당 부위에 더 많은 혈액이 공급됨
• 두개골을 통과한 초음파는 적혈구에서 산란되고, 이 신호로 뇌 전체의 혈류와 혈액량 지도를 만들 수 있음

범용 뇌 인터페이스의 두 조건

• Aleph는 범용 뇌 인터페이스에 두 가지 조건이 필요하다고 봄

• 넓은 뇌 영역 관찰

  • 1000개 전극을 사용해도 뇌의 최대 0.001% 정도만 포착함
  • 이 정도는 커서 제어 같은 좁은 작업에는 유용하지만, 생각은 뇌 전체에 분산돼 있음

• 높은 해상도

  • EEG와 MEG는 넓은 시야를 갖지만 뇌 활동 이미지는 흐릿함
  • 전기장과 자기장이 전파되는 방식에서 오는 근본적 한계라, 센서를 수백만 개로 늘려도 해결되지 않음
  • 신경혈관 초음파는 MRI처럼 두 조건을 모두 만족할 수 있으며, 물리적으로 뇌 전체에서 100만 개의 독립 픽셀을 밀리미터 미만 크기로 기록할 수 있음

온전한 두개골을 통과한 첫 3D 혈관 이미지

• Aleph가 공개한 결과는 온전한 두개골을 통해 초음파로 촬영한, 살아 있는 인간 뇌의 가장 상세한 혈관 이미지임
• 재구성된 혈관 볼륨에서는 큰 혈관, 연질막 동맥, 세동맥을 볼 수 있음
• 인간 뇌에서 두개골을 통과해 얻은 세계 최초의 3D 초음파 위치현미경 이미지임
• 비교 가능한 CT보다 체적 기준 100배 높은 해상도를 달성함
  • 단, 이 수치는 초해상도 기법을 사용한 결과이며, 이 기법은 조영제 기반 신경혈관 초음파에서만 가능함
• Aleph는 경두개 미세기포 이미징이 자체 목표 외에도 여러 응용처를 가질 것으로 보고, 전체 파이프라인과 데이터셋을 오픈소스로 공개함
• 뇌졸중, 알츠하이머병, 외상성 뇌손상은 CT와 MRI가 해상도로 잡지 못하는 규모의 혈관 시그니처를 남기며, Aleph는 이 해상도의 이미징이 그 영역에 도달할 것으로 봄

미세기포로 회절 한계를 넘는 처리 파이프라인

• 미세기포는 초음파의 회절 한계를 넘는 데 사용됨
• 일반 초음파는 약 한 파장보다 가까운 두 물체를 분리하지 못하고, 더 미세한 구조는 하나의 덩어리처럼 보임
• 미세기포 하나는 파장 폭 정도의 흐릿한 점으로 보이지만, 서브픽셀 피팅으로 중심을 파장보다 훨씬 정밀하게 추정할 수 있음
• 핵심 변수는 기포 농도임
  • 기포를 충분히 드물게 주입해 각 기포의 흐릿한 점이 서로 겹치지 않게 함
  • 혈관을 따라 흐르는 기포의 위치를 수백만 개 누적함
  • 이 위치들을 쌓아 파장보다 더 세밀한 단일 이미지를 만듦
• 기포는 지질 껍질에 둘러싸인 육불화황 주머니이며, FDA 승인 조영제임
• Aleph는 4분 촬영 동안 기포를 지속 주입함
• 기체는 조직과 음향 임피던스가 크게 달라 기포 표면에서 소리가 강하게 반사되고, 신호 강화와 초해상도 구현에 함께 기여함
• 프레임 사이에서 기포 중심을 연결하면 3D 궤적이 만들어지고, 그 방향과 속도로 살아 있는 미세혈관계의 혈류를 추적할 수 있음

무조영 신경혈관 초음파로 가는 경로

• Aleph는 조영제 기반 결과를 중간 단계로 보고, 최종 목적지를 무조영 신경혈관 뇌 이미징으로 둠

• 하드웨어 변화

  • 과거 초음파 장비는 10만 달러 이상이고 전자장치가 가득한 카트가 필요했음
  • Butterfly 같은 회사 덕분에 현재 초음파 장비는 스마트폰과 비슷한 가격과 크기에 가까워졌고 계속 개선되고 있음

• 데이터와 머신러닝

  • 무조영 이미징은 더 어려움
  • 적혈구는 미세기포보다 훨씬 약하게 산란하므로 신호가 약함
  • Aleph는 그 신호가 사라진 것이 아니라 현재 방법이 충분히 끌어내지 못한다고 봄
  • 표준 초음파 프로브는 시간당 테라바이트 단위 데이터를 받지만, 일반적인 처리 파이프라인은 이를 원본의 0.1% 로 압축함
  • 기존 파이프라인은 손으로 설계한 특징에 기반하며, Aleph는 이를 초기 컴퓨터 비전과 비슷하다고 봄
  • 충분히 큰 데이터셋으로 학습한 end-to-end 머신러닝이 현재 방법보다 훨씬 많은 신호를 복원할 수 있다고 봄
  • Aleph는 현재 세계 최대 규모라고 보는 신경혈관 초음파 데이터셋을 수집 중임