中新網(wǎng)北京3月13日電 (記者 孫自法)記者13日從中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所獲悉，腦科中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最新合作研發(fā)出一套實(shí)感智能計(jì)算-控制平臺(tái)，學(xué)重現(xiàn)斑可快速提取和分析斑馬魚(yú)全腦神經(jīng)元活動(dòng)，大突隊(duì)實(shí)半島App實(shí)現(xiàn)全腦神經(jīng)元集群活動(dòng)的破中閉環(huán)調(diào)控。通過(guò)該技術(shù)突破，國(guó)團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)斑馬魚(yú)全腦十萬(wàn)級(jí)神經(jīng)元的馬魚(yú)實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而對(duì)任意選擇的全腦神經(jīng)元集群活動(dòng)進(jìn)行解碼，以控制外部設(shè)備。神經(jīng)時(shí)閉

實(shí)感智能計(jì)算-控制平臺(tái)架構(gòu)及利用該系統(tǒng)實(shí)施的元實(shí)半島App光學(xué)腦機(jī)接口技術(shù)，通過(guò)大腦內(nèi)部神經(jīng)元集群的環(huán)研活動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)控制。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所/供圖

　　這一腦科學(xué)研究應(yīng)用領(lǐng)域的腦科重大突破成果，由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心杜久林研究員團(tuán)隊(duì)、學(xué)重現(xiàn)斑中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所蒿杰研究員團(tuán)隊(duì)、大突隊(duì)實(shí)中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心穆宇研究員團(tuán)隊(duì)共同完成，破中已獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利“光學(xué)腦機(jī)接口系統(tǒng)和方法”，國(guó)團(tuán)標(biāo)志著基于全腦單細(xì)胞光學(xué)成像的虛擬現(xiàn)實(shí)、光遺傳調(diào)控等技術(shù)在腦科學(xué)閉環(huán)研究領(lǐng)域的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

　　在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)借助天文學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用FPGA-GPU(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列-圖形處理器)混合架構(gòu)，成功對(duì)高達(dá)500MB/s(兆比特每秒)的大數(shù)據(jù)流神經(jīng)功能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)配準(zhǔn)、信號(hào)提取和分析。相關(guān)研究論文近日在國(guó)際專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)提供本項(xiàng)研究概念圖：借鑒天文數(shù)據(jù)處理體系搭建的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)提取和解析了斑馬魚(yú)全腦的神經(jīng)元活動(dòng)，展現(xiàn)這一創(chuàng)新系統(tǒng)如何巧妙地將內(nèi)在世界的神經(jīng)活動(dòng)與外部現(xiàn)實(shí)世界連接起來(lái)的迷人之處。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所/供圖

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，全腦范圍單神經(jīng)元活動(dòng)成像是解析大腦并行分布式計(jì)算原理的有力工具，但其巨大的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理需求已成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致難以實(shí)時(shí)分析以及在大尺度上閉環(huán)調(diào)控和研究腦功能。受天文學(xué)領(lǐng)域中快速射電暴檢測(cè)技術(shù)的啟發(fā)，并借鑒其系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，本項(xiàng)研究利用FPGA編程的靈活性建立光學(xué)神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)，對(duì)來(lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)規(guī)整化，并將其發(fā)送給基于GPU的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，進(jìn)行高速非線性配準(zhǔn)，提取各信道的神經(jīng)信號(hào)，依據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號(hào)。

　　其研究結(jié)果顯示，光學(xué)神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斑馬魚(yú)全腦神經(jīng)元的活動(dòng)，生成反饋信號(hào)，反饋間隔小于70.5毫秒。同時(shí)，該系統(tǒng)性能可在3個(gè)腦科學(xué)閉環(huán)研究場(chǎng)景下得到展示：

　　一是閉環(huán)實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控。通過(guò)功能聚類(lèi)識(shí)別全腦神經(jīng)元集群，將選定集群的自發(fā)活動(dòng)作為觸發(fā)信號(hào)，實(shí)施實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)刺激于目標(biāo)神經(jīng)元集群。相對(duì)于開(kāi)環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。

　　二是鎖相的實(shí)時(shí)視覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)藍(lán)斑去甲腎上腺素能系統(tǒng)活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在表征動(dòng)物清醒狀態(tài)的藍(lán)斑興奮時(shí)相上施加視覺(jué)刺激，觀察到大腦中其他神經(jīng)元的反應(yīng)更為強(qiáng)烈。這表明，大腦狀態(tài)可調(diào)節(jié)對(duì)視覺(jué)信息的處理，同時(shí)指出閉環(huán)感覺(jué)刺激有助于精確研究大腦內(nèi)部狀態(tài)與外界環(huán)境的相互作用。

　　三是全腦光學(xué)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)。實(shí)時(shí)將高維的全腦所有神經(jīng)元活動(dòng)降維到多個(gè)神經(jīng)元集群的活動(dòng)，并將任一集群的活動(dòng)與視覺(jué)環(huán)境閉環(huán)聯(lián)接，建立基于光學(xué)成像、直接從腦神經(jīng)活動(dòng)到視覺(jué)環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在該虛擬現(xiàn)實(shí)中，可以隨意調(diào)整神經(jīng)活動(dòng)與環(huán)境耦合的增益，使控制環(huán)境的神經(jīng)元集群根據(jù)增益變化適應(yīng)性地調(diào)整其輸出。

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，依托大數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)分析和高通量全腦成像技術(shù)，他們未來(lái)將進(jìn)一步研究篩選適合光學(xué)腦機(jī)接口的神經(jīng)群體活動(dòng)特征，以揭示其機(jī)制，開(kāi)發(fā)出更高效的光學(xué)腦機(jī)接口技術(shù)，推進(jìn)腦科學(xué)研究范式的發(fā)展。(完)