2024年3月11日，《自然·神經(jīng)科學(xué)》在線發(fā)表了題為《實(shí)時(shí)分析大規(guī)模神經(jīng)成像，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)研究》的論文，報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心杜久林研究組、穆宇研究組和自動(dòng)化研究所蒿杰研究組的合作研究。研究成果已授權(quán)發(fā)明專利“光學(xué)腦機(jī)接口系統(tǒng)和方法”（專利號(hào)：ZL202310131178.9）。

該研究借助天文學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用FPGA-GPU混合架構(gòu)，成功對(duì)高達(dá)500MB/s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。通過(guò)這一技術(shù)突破，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)斑馬魚全腦十萬(wàn)級(jí)神經(jīng)元的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，進(jìn)而對(duì)任意選擇的神經(jīng)元集群活動(dòng)進(jìn)行解碼，以控制外部設(shè)備。這一成果標(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)研究中的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

全腦單神經(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)處理需求成為了難以逾越的技術(shù)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。啟發(fā)于天文學(xué)領(lǐng)域中快速射電暴檢測(cè)技術(shù)，研究人員借鑒其FX系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，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)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斑馬魚全腦神經(jīng)元的活動(dòng)，生成反饋信號(hào)，反饋間隔小于70.5毫秒。

系統(tǒng)性能在三個(gè)腦科學(xué)閉環(huán)研究場(chǎng)景下進(jìn)行了展示：與任意特定神經(jīng)元集群活動(dòng)鎖相的實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)刺激，與特定大腦功能狀態(tài)鎖相的實(shí)時(shí)視覺刺激，以及基于神經(jīng)元集群活動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)控制。

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)時(shí)實(shí)施光遺傳學(xué)刺激于目標(biāo)神經(jīng)元集群。相對(duì)于開環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。

鎖相的實(shí)時(shí)視覺刺激實(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)視覺信息的處理，同時(shí)指出閉環(huán)感覺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。

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)與視覺環(huán)境閉環(huán)聯(lián)接，建立了基于光學(xué)成像、直接從腦神經(jīng)元活動(dòng)到視覺環(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)整其活動(dòng)輸出。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)，未來(lái)研究將篩選適合光學(xué)腦機(jī)接口的神經(jīng)群體活動(dòng)特征，揭示其機(jī)制，并開發(fā)出更高效的光學(xué)腦機(jī)接口技術(shù)。

中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心杜久林研究員、自動(dòng)化所蒿杰研究員、腦智中心卓越穆宇研究員為共同通訊作者；暨南大學(xué)/深圳市神經(jīng)科學(xué)研究院尚春峰研究員（原杜久林研究組副研究員）、腦智卓越中心汪玙璠博士、自動(dòng)化所趙美婷助理研究員為共同第一作者；自動(dòng)化所范秋香助理研究員、腦智卓越中心趙姍博士生、錢禹工程師和徐圣進(jìn)研究員做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院、上海市和深圳市的資助。

圖注：左圖展現(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。右圖展示利用該系統(tǒng)實(shí)施的光學(xué)腦機(jī)接口技術(shù)，通過(guò)大腦內(nèi)部神經(jīng)元集群的活動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)控制。