中科院神经所、自动化研究所正在研发新型系统,旨在构建全脑光学接口的虚拟现实和全脑闭环研究新形式。

2024-03-20 生活常识 关注公众号
中国科学院脑科学与智能技术卓越中心杜久林研究组、穆宇研究组和自动化研究所蒿杰研究组合作研究表明,基于全脑单细胞光学成像的虚拟现实、光遗传调控等技术在脑科学闭环研究中的应用迈出了关键一步。

2024年3月11日,《自然·神经科学》在线发表了题为《实时分析大规模神经成像,实现神经动态的闭环研究》的论文,报道了中国科学院脑科学与智能技术卓越中心杜久林研究组、穆宇研究组和自动化研究所蒿杰研究组的合作研究。研究成果已授权发明专利“光学脑机接口系统和方法”(专利号:ZL20231 0131178.9)。

该研究借助天文学领域的数据处理技术,采用FPGA-GPU混合架构,成功对高达500MB/s的大数据流神经功能数据进行实时配准、信号提取和分析。通过这一技术突破,研究团队首次实现了对斑马鱼全脑十万级神经元的实时监控与分析,进而对任意选择的神经元集群活动进行解码,以控制外部设备。这一成果标志着基于全脑单细胞光学成像的虚拟现实、光遗传调控等技术在脑科学闭环研究中的应用迈出了关键一步。

全脑单神经元活动成像是解析大脑并行分布式计算原理的有力工具,但其巨大的数据处理需求成为了难以逾越的技术瓶颈,导致难以实时分析以及在大尺度上闭环调控和研究脑功能。启发于天文学领域中快速射电暴检测技术,研究人员借鉴其FX系统设计策略,利用FPGA编程的灵活性建立光学神经信号预处理系统,对来自光学传感器的信号规整化,并将其发送给基于GPU的实时处理系统,进行高速非线性配准,提取各信道的神经信号,依据编码规则进行解码,以获得用于控制外部器件的反馈信号。该系统通过实时监测斑马鱼全脑神经元的活动,生成反馈信号,反馈间隔小于70.5毫秒。

系统性能在三个脑科学闭环研究场景下进行了展示:与任意特定神经元集群活动锁相的实时光遗传学刺激,与特定大脑功能状态锁相的实时视觉刺激,以及基于神经元集群活动的虚拟现实控制。

闭环实时光遗传学神经调控:通过功能聚类识别全脑神经元集群,将选定集群的自发活动作为触发信号,实时实施光遗传学刺激于目标神经元集群。相对于开环,闭环刺激有效激活了下游脑区。

锁相的实时视觉刺激实验:通过对蓝斑去甲肾上腺素能系统活动的实时监测,在表征动物清醒状态的蓝斑兴奋时相上施加视觉刺激,观察到大脑中其他神经元的反应更为强烈。这表明,大脑状态可调节对视觉信息的处理,同时指出闭环感觉刺激有助于精确研究大脑内部状态与外界环境的相互作用。

全脑光学脑机接口实现的虚拟现实:实时将高维的全脑所有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,建立了基于光学成像、直接从脑神经元活动到视觉环境的虚拟现实系统。在该虚拟现实中,可以随意调整神经活动与环境耦合的增益,使控制环境的神经元集群根据增益变化适应性地调整其活动输出。依托大数据流的实时分析和高通量全脑成像技术,未来研究将筛选适合光学脑机接口的神经群体活动特征,揭示其机制,并开发出更高效的光学脑机接口技术。

图注:左图展现这一创新系统如何巧妙地将内在世界的神经活动与外部现实世界连接起来的迷人之处。右图展示利用该系统实施的光学脑机接口技术,通过大脑内部神经元集群的活动实现虚拟现实控制。

中国科学院脑智卓越中心杜久林研究员、自动化所蒿杰研究员、脑智卓越中心穆宇研究员为共同通讯;暨南大学/深圳市神经科学研究院尚春峰研究员(原杜久林研究组副研究员)、脑智卓越中心汪玙璠博士、自动化所赵美婷助理研究员为共同第一;自动化所范秋香助理研究员、脑智卓越中心赵姗博士生、钱禹工程师和徐圣进研究员做出了重要贡献。该工作得到科技部、基金委、中国科学院、上海市和深圳市的资助。

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顶尖医药创新:知名品牌药品未消失,反而在进博会上焕发出新的活力!

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是力昂新品——扶他林双氯芬酸二乙胺乳胶剂,将于年内在中国上市,成为保健品行业的新面孔。此产品的包装升级,有助于提高患者对于老年品牌的认知度,同时,利用新材料和低药重设计,进一步降低患者的用药负担。未来,拜耳将持续优化新产品线,满足消费者多样化的需求。

生活常识 11.10
专家:无痛血尿,警惕尿路上皮癌?

专家:无痛血尿,警惕尿路上皮癌?

中国政府医师协会泌尿外科医师分会会长邢念增提醒民众,出现无痛血尿时要警惕尿路上皮癌,及时就诊。尿路上皮癌是泌尿系统恶性肿瘤中比较常见的一种,男性发病率显著高于女性。吸烟是导致尿路上皮癌最常见的危险因素,占膀胱癌危险率的2倍至4倍。早期尿路上皮癌症状为血尿,无痛血尿是它最大的特点。随着医学技术的发展,尿路上皮癌的治疗方法取得了显著进展,免疫治疗为患者带来了新希望。

生活常识 11.10
积极休息与轻度运动:躺平不如让身体得到放松和活力的提升更有效

积极休息与轻度运动:躺平不如让身体得到放松和活力的提升更有效

积极休息能有效减轻运动后的肌肉酸痛,并对精神也有益。建议实施低强度运动(如散步或游泳)来进行恢复,以促进血液流动和循环,帮助肌肉更好地恢复。

生活常识 11.10
中国药企成功研发新一代口服GLP-1药物,正式进入临床试验阶段

中国药企成功研发新一代口服GLP-1药物,正式进入临床试验阶段

质肽生物的口服蛋白药品ZT006片获得临床试验默示许可,主要用于成人2型糖尿病患者的血糖控制。该药物经过优化的生物利用度较高,有希望成为新一代口服GLP-1品种。该公司专注开发治疗慢性代谢性疾病(如糖尿病、肥胖症)治疗领域的创新生物药。国内唯一进入临床的每月给药一次的GLP-1类药物是司美格鲁肽注射液。最近,美容医疗公司爱美客投资了质肽生物,希望能推进ZT001的减重适应症在中国大陆地区的临床申报和产业化生产。

生活常识 11.10
温汉捷著《稀散金属超常富集理论与探测技术示范》出版

温汉捷著《稀散金属超常富集理论与探测技术示范》出版

稀散金属在古代被认为稀少且分散,并对其成矿机制研究相对薄弱。近年来,稀散金属研究进入了一个崭新阶段,特别是涂光炽院士主持的“分散元素成矿机制研究”项目,成功突破了“稀散金属不能形成独立矿床”的传统观念,建立了一套完整的稀散金属成矿理论体系。尽管该领域仍处于冷门学科,但研究成果对于国民经济、国家安全和科技发展具有重大战略意义。研究团队秉持涂光炽院士的遗愿,坚定信念,坚守稀散金属成矿机制研究,并得到国家自然科学基金委员会和科技部的支持。

生活常识 11.10
2024年世界科发论坛:实现科学国际流动的五项关键坚持

2024年世界科发论坛:实现科学国际流动的五项关键坚持

中国政府发布的《关于促进科学家国际流动便利化的倡议》,旨在推进全球科学家间的交流与合作,以适应全球化发展趋势。它提出了五个方面的举措:全面开放、合作共赢、自由流动、相互包容和自信他信。该倡议旨在推动全球科学研究的发展,加强各国间的人文交流和互信。

生活常识 11.10