中國科學(xué)院自動化研究所蒿杰研究組聯(lián)合腦科學(xué)與智能技術(shù)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(shí)感智能計(jì)算-控制平臺，可快速提取和分析斑馬魚全腦神經(jīng)元活動，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元集群活動的閉環(huán)調(diào)控。3月11日，相關(guān)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(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）上。 

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)，對高達(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)、信號提取和分析。該研究實(shí)現(xiàn)了對斑馬魚全腦十萬級神經(jīng)元的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而解碼任意選擇的神經(jīng)元集群活動，以控制外部設(shè)備。這標(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)元活動成像是解析大腦并行分布式計(jì)算原理的工具，但較大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理需求成為技術(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。受到天文學(xué)領(lǐng)域中的快速射電暴檢測技術(shù)的啟發(fā)，科研人員借鑒系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略，利用FPGA編程的靈活性建立光學(xué)神經(jīng)信號預(yù)處理系統(tǒng)，對來自光學(xué)傳感器的信號規(guī)整化，并發(fā)送到基于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，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。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)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）。       

實(shí)感智能計(jì)算-控制平臺的性能在三個腦科學(xué)閉環(huán)研究場景下得到展示，即與任意特定神經(jīng)元集群活動鎖相的實(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)元集群活動的虛擬現(xiàn)實(shí)控制。      

在閉環(huán)實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控方面，研究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(shí)施實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)刺激于目標(biāo)神經(jīng)元集群。相對于開環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。       

在鎖相的實(shí)時(shí)視覺刺激實(shí)驗(yàn)方面，研究通過實(shí)時(shí)監(jiān)測藍(lán)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(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)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(nèi)部狀態(tài)與外界環(huán)境的相互作用。

在全腦光學(xué)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)方面，研究實(shí)時(shí)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，建立了基于光學(xué)成像、直接從腦神經(jīng)活動到視覺環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。這一虛擬現(xiàn)實(shí)中，可以隨意調(diào)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(yīng)性地調(diào)整輸出。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、上海市和深圳市的支持。相關(guān)成果已被授權(quán)發(fā)明專利“光學(xué)腦機(jī)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(jù)處理體系搭建的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)可提取和解析斑馬魚全腦的神經(jīng)元活動，展現(xiàn)了這一系統(tǒng)如何將內(nèi)在世界的神經(jīng)活動與外部現(xiàn)實(shí)世界連接起來的迷人之處。