中國網/中國發展門戶網訊 中國科學院自動化研究所蒿傑研究組與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心杜久林研究組、穆宇研究組合作研究開發了一套實感智能計算-控制平台，可快速提取和分析斑馬魚全腦神經元活動，實作神經元集群活動的閉環調控。3月11日，相關研究論文線上發表於【自然·神經科學】。
據了解，該研究借助天文學領域的數據處理技術，采用FPGA-GPU混合架構，成功對高達500MB/s的大數據流神經功能數據進行即時配準、訊號提取和分析。透過這一技術突破，研究團隊首次實作了對斑馬魚全腦十萬級神經元的即時監控，進而對任意選擇的神經元集群活動進行解碼，以控制外部器材。這一成果標誌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套用邁出了關鍵一步。
全腦範圍單神經元活動成像是解析大腦並列分布式計算原理的有力工具，但其巨大的數據即時處理需求成為了技術發展的瓶頸，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。啟發於天文學領域中快速射電暴檢測技術，研究人員借鑒其系統設計策略，利用FPGA（現場可編程門陣列）編程的靈活性建立光學神經訊號預處理系統，對來自光學傳感器的訊號規整化，並將其發送給基於GPU（圖形處理器）的即時處理系統，進行高速非線性配準，提取各通道的神經訊號，依據編碼規則進行解碼，以獲得用於控制外部器件的反饋訊號。該系統透過即時監測斑馬魚全腦神經元的活動，生成反饋訊號，反饋間隔小於70.5毫秒。
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介面技術，透過大腦內部神經元集群的活動實作虛擬現實控制。
系統效能在三個腦科學閉環研究場景下得到展示：與任意特定神經元集群活動鎖相的即時光遺傳學刺激，與特定大腦功能狀態鎖相的即時視覺刺激，以及基於神經元集群活動的虛擬現實控制。
閉環即時光遺傳學神經調控：透過功能聚類辨識全腦神經元集群，將選定集群的自發活動作為觸發訊號，實施即時光遺傳學刺激於目標神經元集群。相對於開環，閉環刺激有效啟用了下遊腦區。
鎖相的即時視覺刺激實驗：透過對藍斑去甲腎上腺素能系統活動的即時監測，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資訊的處理，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。
全腦光學腦機介面實作的虛擬現實：即時將高維的全腦所有神經元活動降維到多個神經元集群的活動，並將任一集群的活動與視覺環境閉環聯接，建立了基於光學成像、直接從腦神經活動到視覺環境的虛擬現實系統。在該虛擬現實中，可以隨意調整神經活動與環境耦合的增益，使控制環境的神經元集群根據增益變化適應力地調整其輸出。依托大數據流的實時分析和高通量全腦成像技術，未來研究將篩選適合光學腦機介面的神經群體活動特征，揭示其機制，並開發出更高效的光學腦機介面技術。
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、中國科學院自動化研究所蒿傑研究員、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心穆宇研究員為共同通訊作者；暨南大學/深圳市神經科學研究院尚春峰研究員（原中國科學院腦科學與智能技術卓越中心副研究員）、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心汪玙璠博士、中國科學院自動化研究所趙美婷助理研究員為共同第一作者；中國科學院自動化研究所範秋香助理研究員，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心趙姍博士生、錢禹工程師和徐聖進研究員做出了重要貢獻。研究成果已授權發明專利「光學腦機介面系統和方法」。
團隊提供概念圖：借鑒天文數據處理體系搭建的即時處理系統提取和解析了斑馬魚全腦的神經元活動，上圖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線起來的迷人之處。
