【48812】我国科学家完成对斑马鱼全脑十万级神经元实时监控

  IT之家 3 月 25 日音讯，据中国科学院自动化研讨所音讯，该所蒿杰研讨组与中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心杜久林研讨组、穆宇研讨组协作研讨开发了一套实感智能核算-操控渠道，可快速提取和剖析斑马鱼全脑神经元活动，完成神经元集群活动的闭环调控。

  据介绍，该研讨凭借天文学范畴的数据处理技能，选用 FPGA-GPU 混合架构，成功对高达 500MB/s的大数据流神经功用数据来进行实时配准、信号提取和剖析。经过这一技能打破，研讨团队初次完成了对斑马鱼全脑十万级神经元的实时监控，进而对随意挑选的神经元集群活动进行解码，以操控外部设备。

  这一效果标志着依据全脑单细胞光学成像的虚拟现实、光遗传调控等技能在脑科学闭环研讨范畴的使用迈出了要害一步。

  全脑规模单神经元活动成像是解析大脑并行分布式核算原理的有力东西，但其巨大的数据实时处理需求成为了技能发展的瓶颈，导致难以实时剖析以及在大尺度上闭环调控和研讨脑功用。

  启发于天文学范畴中快速射电暴检测技能，研讨人员学习其体系模块规划战略，使用 FPGA 编程的灵活性树立光学神经信号预处理体系，对来自光学传感器的信号规整化，并将其发送给依据 GPU 的实时处理体系，进行高速非线性配准，提取各信道的神经信号，依据编码规矩进行解码，以取得用于操控外部器材的反响信号。该体系经过实时监测斑马鱼全脑神经元的活动，生成反响信号，反响距离小于 70.5 毫秒。

  ▲ 实感智能核算-操控渠道架构及使用该体系施行的光学脑机接口技能，经过大脑内部神经元集群的活动完成虚拟现实操控

  体系性能在三个脑科学闭环研讨场景下得到展现：与恣意特定神经元集群活动锁相的实韶光遗传学影响，与特定大脑功用状况锁相的实时视觉影响，以及依据神经元集群活动的虚拟现实操控。

  闭环实韶光遗传学神经调控：经过功用聚类辨认全脑神经元集群，将选定集群的自发活动作为触发信号，施行实韶光遗传学影响于方针神经元集群。相对于开环，闭环影响有用激活了下流脑区。

  锁相的实时视觉影响试验：经过对蓝斑去甲肾上腺素能体系活动的实时监测，在表征动物清醒状况的蓝斑振奋时相上施加视觉影响，观察到大脑中其他神经元的反响更为激烈。这表明，大脑状况可调理对视觉信息的处理，一起指出闭环感觉影响有助于准确研讨大脑内部状况与外界环境的相互作用。

  全脑光学脑机接口完成的虚拟现实：实时将高维的全脑一切神经元活动降维到多个神经元集群的活动，并将任一集群的活动与视觉环境闭环联接，树立了依据光学成像、直接从脑神经活动到视觉环境的虚拟现实体系。在该虚拟现实中，能够随意调整神经活动与环境耦合的增益，使操控环境的神经元集群依据增益改变习惯性地调整其输出。依托大数据流的实时剖析和高通量全脑成像技能，未来研讨将挑选合适光学脑机接口的神经集体活动特征，提醒其机制，并开宣布更高效的光学脑机接口技能。

  中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心杜久林研讨员、中国科学院自动化研讨所蒿杰研讨员、中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心穆宇研讨员为一起通讯作者；暨南大学 / 深圳市神经科学研讨院尚春峰研讨员（原中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心副研讨员）、中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心汪玙璠博士、中国科学院自动化研讨所赵美婷助理研讨员为一起榜首作者；中国科学院自动化研讨所范秋香助理研讨员，中国科学院脑科学与智能技能杰出立异中心赵姗博士生、钱禹工程师和徐圣进研讨员做出了重要贡献。

  该作业得到科技部、基金委、中国科学院、上海市和深圳市的赞助。研讨效果已授权发明专利“光学脑机接口体系和办法”（专利号：ZL20231 0131178.9）。