中國科學院自動化研究所蒿杰研究組聯(lián)合腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心杜久林研究組與穆宇研究組，開發(fā)出一套實感智能計算-控制平臺，可快速提取和分析斑馬魚全腦神經元活動，實現(xiàn)神經元集群活動的閉環(huán)調控。3月11日，相關研究成果以Real-time analysis of large-scale neuronal imaging enables closed-loop investigation of neural dynamics為題，在線發(fā)表在《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）上。 

該研究借助天文學領域的數(shù)據處理技術，采用FPGA-GPU混合架構，對高達500MB/s的大數(shù)據流神經功能數(shù)據進行實時配準、信號提取和分析。該研究實現(xiàn)了對斑馬魚全腦十萬級神經元的實時監(jiān)控，進而解碼任意選擇的神經元集群活動，以控制外部設備。這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。       

全腦范圍單神經元活動成像是解析大腦并行分布式計算原理的工具，但較大數(shù)據實時處理需求成為技術發(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。受到天文學領域中的快速射電暴檢測技術的啟發(fā)，科研人員借鑒系統(tǒng)設計策略，利用FPGA編程的靈活性建立光學神經信號預處理系統(tǒng)，對來自光學傳感器的信號規(guī)整化，并發(fā)送到基于GPU的實時處理系統(tǒng)，進行高速非線性配準，提取各信道的神經信號，依據編碼規(guī)則進行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測斑馬魚全腦神經元的活動，生成反饋信號（反饋間隔小于70.5毫秒）。       

實感智能計算-控制平臺的性能在三個腦科學閉環(huán)研究場景下得到展示，即與任意特定神經元集群活動鎖相的實時光遺傳學刺激，與特定大腦功能狀態(tài)鎖相的實時視覺刺激，以及基于神經元集群活動的虛擬現(xiàn)實控制。      

在閉環(huán)實時光遺傳學神經調控方面，研究通過功能聚類識別全腦神經元集群，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元集群。相對于開環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。       

在鎖相的實時視覺刺激實驗方面，研究通過實時監(jiān)測藍斑去甲腎上腺素能系統(tǒng)活動，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元的反應更為強烈。這表明大腦狀態(tài)可調節(jié)視覺信息的處理，并提出閉環(huán)感覺刺激有助于探討大腦內部狀態(tài)與外界環(huán)境的相互作用。

在全腦光學腦機接口實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實方面，研究實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，并將任一集群的活動與視覺環(huán)境閉環(huán)聯(lián)接，建立了基于光學成像、直接從腦神經活動到視覺環(huán)境的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。這一虛擬現(xiàn)實中，可以隨意調整神經活動與環(huán)境耦合的增益，使控制環(huán)境的神經元集群根據增益變化適應性地調整輸出。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市和深圳市的支持。相關成果已被授權發(fā)明專利“光學腦機接口系統(tǒng)和方法”。

論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41593-024-01595-6

概念圖：借鑒天文數(shù)據處理體系搭建的實時處理系統(tǒng)可提取和解析斑馬魚全腦的神經元活動，展現(xiàn)了這一系統(tǒng)如何將內在世界的神經活動與外部現(xiàn)實世界連接起來的迷人之處。