IT之家 3 月 25 日消息，據(jù)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所消息，該所蒿杰研究組與中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心杜久林研究組、穆宇研究組合作研究開(kāi)發(fā)了一套實(shí)感智能計(jì)算-控制平臺(tái)，可快速提取和分析斑馬魚全腦神經(jīng)元活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元集群活動(dòng)的閉環(huán)調(diào)控。
相關(guān)研究論文以 Real-time analysis of large-scale neuronal imaging enables closed-loop investigation of neural dynamics 為題，在線發(fā)表于《自然?神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）。
據(jù)介紹，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，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)研究領(lǐng)域的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。
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)處理需求成為了技術(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。
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)景下得到展示：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(jué)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)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)。
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。
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，建立了基于光學(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。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(kāi)發(fā)出更高效的光學(xué)腦機(jī)接口技術(shù)。
中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心杜久林研究員、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所蒿杰研究員、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（原中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心副研究員）、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心汪玙璠博士、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所趙美婷助理研究員為共同第一作者；中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所范秋香助理研究員，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心趙姍博士生、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。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)：ZL20231 0131178.9）。
IT之家附論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01595-6
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