中新網(wǎng)北京3月13日電 (記者 孫自法)記者13日從中國科學院自動化研究所獲悉，腦科中國科學家團隊最新合作研發(fā)出一套實感智能計算-控制平臺，學重現(xiàn)斑可快速提取和分析斑馬魚全腦神經(jīng)元活動，大突隊實Manbetx體育安卓下載實現(xiàn)全腦神經(jīng)元集群活動的破中閉環(huán)調控。通過該技術突破，國團研究團隊在國際上首次實現(xiàn)對斑馬魚全腦十萬級神經(jīng)元的馬魚實時監(jiān)控，進而對任意選擇的全腦神經(jīng)元集群活動進行解碼，以控制外部設備。神經(jīng)時閉

實感智能計算-控制平臺架構及利用該系統(tǒng)實施的元實Manbetx體育安卓下載光學腦機接口技術，通過大腦內部神經(jīng)元集群的環(huán)研活動實現(xiàn)虛擬現(xiàn)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腦科重大突破成果，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心杜久林研究員團隊、學重現(xiàn)斑中國科學院自動化研究所蒿杰研究員團隊、大突隊實中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心穆宇研究員團隊共同完成，破中已獲得授權發(fā)明專利“光學腦機接口系統(tǒng)和方法”，國團標志著基于全腦單細胞光學成像的虛擬現(xiàn)實、光遺傳調控等技術在腦科學閉環(huán)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(shù)據(jù)處理技術，采用FPGA-GPU(現(xiàn)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(shù)據(jù)流神經(jīng)功能數(shù)據(jù)進行實時配準、信號提取和分析。相關研究論文近日在國際專業(yè)學術期刊《自然-神經(jīng)科學》(Nature Neuroscience)發(fā)表。

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

　　研究團隊介紹說，全腦范圍單神經(jīng)元活動成像是解析大腦并行分布式計算原理的有力工具，但其巨大的數(shù)據(jù)實時處理需求已成為技術發(fā)展的瓶頸，導致難以實時分析以及在大尺度上閉環(huán)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(fā)，并借鑒其系統(tǒng)設計策略，本項研究利用FPGA編程的靈活性建立光學神經(jīng)信號預處理系統(tǒng)，對來自光學傳感器的信號規(guī)整化，并將其發(fā)送給基于GPU的實時處理系統(tǒng)，進行高速非線性配準，提取各信道的神經(jīng)信號，依據(jù)編碼規(guī)則進行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號。

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

　　一是閉環(huán)實時光遺傳學神經(jīng)調控。通過功能聚類識別全腦神經(jīng)元集群，將選定集群的自發(fā)活動作為觸發(fā)信號，實施實時光遺傳學刺激于目標神經(jīng)元集群。相對于開環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。

　　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(tǒng)活動的實時監(jiān)測，在表征動物清醒狀態(tài)的藍斑興奮時相上施加視覺刺激，觀察到大腦中其他神經(jīng)元的反應更為強烈。這表明，大腦狀態(tài)可調節(jié)對視覺信息的處理，同時指出閉環(huán)感覺刺激有助于精確研究大腦內部狀態(tài)與外界環(huán)境的相互作用。

　　三是全腦光學腦機接口實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實。實時將高維的全腦所有神經(jīng)元活動降維到多個神經(jīng)元集群的活動，并將任一集群的活動與視覺環(huán)境閉環(huán)聯(lián)接，建立基于光學成像、直接從腦神經(jīng)活動到視覺環(huán)境的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在該虛擬現(xiàn)實中，可以隨意調整神經(jīng)活動與環(huán)境耦合的增益，使控制環(huán)境的神經(jīng)元集群根據(jù)增益變化適應性地調整其輸出。

　　研究團隊表示，依托大數(shù)據(jù)流的實時分析和高通量全腦成像技術，他們未來將進一步研究篩選適合光學腦機接口的神經(jīng)群體活動特征，以揭示其機制，開發(fā)出更高效的光學腦機接口技術，推進腦科學研究范式的發(fā)展。(完)