北京，3月13日(记者 孙自法)——中国科学院自动化研究所日前透露一项震撼性科研突破：我国科学家团队成功研发出一套创新性的实感智能计算-控制平台，该平台能够迅速捕获并解析斑马鱼全脑神经元活动，实现对全脑神经元集群活动的闭环调控。这一技术革新在国际上首开先河，实时监控斑马鱼全脑十万级神经元动态，并能解码任意选定的神经元群体活动，进而操控外部设备。
实感智能计算-控制平台及其配套的光学脑机接口技术，通过读取大脑内部神经元群集活动，成功将虚拟现实与大脑活动对接。这一颠覆性成果，由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杜久林研究员团队、中国科学院自动化研究所蒿杰研究员团队及穆宇研究员团队携手完成，并已获得授权发明专利“光学脑机接口系统和方法”，标志着基于全脑单细胞光学成像的虚拟现实、光遗传调控等尖端技术，在脑科学闭环研究领域取得了里程碑式的飞跃。研究中，科研团队创造性地引入天文学领域的数据处理技术，构建FPGA-GPU混合架构，成功实现了每秒高达500MB大数据流神经功能信号的实时配准、提取与深度分析。相关研究成果已在国际权威期刊《自然-神经科学》上发表。
据研究团队介绍，尽管全脑范围单神经元活动成像为解读大脑并行分布式计算机制提供了强有力工具，但其庞大的实时数据处理需求却成为技术发展的瓶颈，阻碍了对脑功能进行实时分析以及大尺度闭环调控的研究。本研究借鉴天文领域快速射电暴检测技术，构建了一套创新系统，利用FPGA编程灵活性搭建光学神经信号预处理系统，实时规整化光学传感器信号，并传输至GPU高速处理系统进行非线性配准和神经信号提取，依据编码规则进行解码，生成可操控外部设备的反馈信号。
研究结果显示，光学神经信号预处理系统能够在小于70.5毫秒的时间间隔内监测斑马鱼全脑神经元活动并生成反馈信号。这一系统在三个关键的脑科学闭环研究场景中展现出了显著效果：
首先，闭环实时光遗传学神经调控方面，通过对全脑神经元集群的功能聚类识别，以选定集群的自发活动作为触发信号，实施精准的实时光遗传学刺激至目标神经元集群，相较于传统开环刺激方式，闭环刺激更有效地激活了下游脑区。
其次，锁相实时视觉刺激实验中，通过实时监测蓝斑去甲肾上腺素能系统的活动，在动物处于清醒状态时相的蓝斑兴奋阶段施加视觉刺激，发现大脑其他神经元反应更为强烈。这揭示了大脑状态可调节对外界视觉信息的处理，同时也强调闭环感觉刺激对于精确研究大脑内在状态与外界环境互动的重要作用。
最后，借助全脑光学脑机接口技术实现虚拟现实，研究者实时将全脑所有神经元活动降维映射到多个神经元集群活动，并将任何集群活动与视觉环境建立闭环连接，创建了一个直接从脑神经活动到视觉环境的光学成像虚拟现实系统。在这个虚拟现实中，可以灵活调整神经活动与环境耦合的增益，使负责控制环境的神经元集群根据增益变化进行适应性输出调整。
展望未来，研究团队表示，他们将持续依托大数据流实时分析技术和高通量全脑成像技术，深入挖掘适合光学脑机接口的神经群体活动特征及其机制，致力于开发出效能更优的光学脑机接口技术，以推动脑科学研究范式的进步和发展。
