中國科學家實現腦科學重大突破(圖)

2024-03-13 | 來源: 中新網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

記者13日從中國科學院自動化研究所獲悉，中國科學家團隊最新合作研發出一套實感智能計算-控制平台，可快速提取和分析斑馬魚全腦神經元活動，實現全腦神經元集群活動的閉環調控。通過該技術突破，研究團隊在國際上首次實現對斑馬魚全腦十萬級神經元的實時監控，進而對任意選擇的神經元集群活動進行解碼，以控制外部設備。

實感智能計算-控制平台架構及利用該系統實施的光學腦機接口技術，通過大腦內部神經元集群的活動實現虛擬現實控制。中國科學院自動化所/供圖

這一腦科學研究應用領域的重大突破成果，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心杜久林研究員團隊、中國科學院自動化研究所蒿傑研究員團隊、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心穆宇研究員團隊共同完成，已獲得授權發明專利“光學腦機接口系統和方法”，標志著基於全腦單細胞光學成像的虛擬現實、光遺傳調控等技術在腦科學閉環研究領域的應用邁出了關鍵一步。

在本項研究中，研究團隊借助天文學領域的數據處理技術，采用FPGA-GPU(現場可編程門陣列-圖形處理器)混合架構，成功對高達500MB/s(兆比特每秒)的大數據流神經功能數據進行實時配准、信號提取和分析。相關研究論文近日在國際專業學術期刊《自然-神經科學》(Nature Neuroscience)發表。

研究團隊提供本項研究概念圖：借鑒天文數據處理體系搭建的實時處理系統提取和解析了斑馬魚全腦的神經元活動，展現這一創新系統如何巧妙地將內在世界的神經活動與外部現實世界連接起來的迷人之處。中國科學院自動化所/供圖

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研究團隊介紹說，全腦范圍單神經元活動成像是解析大腦並行分布式計算原理的有力工具，但其巨大的數據實時處理需求已成為技術發展的瓶頸，導致難以實時分析以及在大尺度上閉環調控和研究腦功能。受天文學領域中快速射電暴檢測技術的啟發，並借鑒其系統設計策略，本項研究利用FPGA編程的靈活性建立光學神經信號預處理系統，對來自光學傳感器的信號規整化，並將其發送給基於GPU的實時處理系統，進行高速非線性配准，提取各信道的神經信號，依據編碼規則進行解碼，以獲得用於控制外部器件的反饋信號。

其研究結果顯示，光學神經信號預處理系統通過實時監測斑馬魚全腦神經元的活動，生成反饋信號，反饋間隔小於70.5毫秒。同時，該系統性能可在3個腦科學閉環研究場景下得到展示：

一是閉環實時光遺傳學神經調控。通過功能聚類識別全腦神經元集群，將選定集群的自發活動作為觸發信號，實施實時光遺傳學刺激於目標神經元集群。相對於開環，閉環刺激有效激活了下游腦區。

二是鎖相的實時視覺刺激實驗。通過對藍斑去甲腎上腺素能系統活動的實時監測，在表征動物清醒狀態的藍斑興奮時相上施加視覺刺激，觀察到大腦中其他神經元的反應更為強烈。這表明，大腦狀態可調節對視覺信息的處理，同時指出閉環感覺刺激有助於精確研究大腦內部狀態與外界環境的相互作用。