這一腦科學(xué)研究應(yīng)用領(lǐng)域的重大突破成果，由中國科學(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團隊、中國科學(xué)院自動化研究所蒿杰研究員團隊、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心穆宇研究員團隊共同完成，已獲得授權(quán)發(fā)明專利“光學(xué)腦機接口系統(tǒng)和方法”，標(biāo)志著基于全腦單細(xì)胞光學(xué)成像的虛擬現(xiàn)實、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。

　　在本項研究中，研究團隊借助天文學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用FPGA-GPU(現(xiàn)場可編程門陣列-圖形處理器)混合架構(gòu)，成功對高達500MB/s(兆比特每秒)的大數(shù)據(jù)流神經(jīng)功能數(shù)據(jù)進行實時配準(zhǔn)、信號提取和分析。相關(guān)研究論文近日在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)發(fā)表。

　　研究團隊介紹說，全腦范圍單神經(jīng)元活動成像是解析大腦并行分布式計算原理的有力工具，但其巨大的數(shù)據(jù)實時處理需求已成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致難以實時分析以及在大尺度上閉環(huán)調(diào)控和研究腦功能。受天文學(xué)領(lǐng)域中快速射電暴檢測技術(shù)的啟發(fā)，并借鑒其系統(tǒng)設(shè)計策略，本項研究利用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，并將其發(fā)送給基于GPU的實時處理系統(tǒng)，進行高速非線性配準(zhǔn)，提取各信道的神經(jīng)信號，依據(jù)編碼規(guī)則進行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號。

　　其研究結(jié)果顯示，光學(xué)神經(jīng)信號預(yù)處理系統(tǒng)通過實時監(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。同時，該系統(tǒng)性能可在3個腦科學(xué)閉環(huán)研究場景下得到展示：

　　一是閉環(huán)實時光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控。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，實施實時光遺傳學(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)。

　　二是鎖相的實時視覺刺激實驗。通過對藍(lán)斑去甲腎上腺素能系統(tǒng)活動的實時監(jiān)測，在表征動物清醒狀態(tài)的藍(lán)斑興奮時相上施加視覺刺激，觀察到大腦中其他神經(jīng)元的反應(yīng)更為強烈。這表明，大腦狀態(tài)可調(diào)節(jié)對視覺信息的處理，同時指出閉環(huán)感覺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。

　　三是全腦光學(xué)腦機接口實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實。實時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)實系統(tǒng)。在該虛擬現(xiàn)實中，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)整其輸出。

　　研究團隊表示，依托大數(shù)據(jù)流的實時分析和高通量全腦成像技術(shù)，他們未來將進一步研究篩選適合光學(xué)腦機接口的神經(jīng)群體活動特征，以揭示其機制，開發(fā)出更高效的光學(xué)腦機接口技術(shù)，推進腦科學(xué)研究范式的發(fā)展。