科學家實現全腦光學接口虛擬現實和全腦閉環研究新范式

3月11日，中國科學院腦科學與智能技術卓越中心杜久林研究組、穆宇研究組，聯合自動化研究所蒿杰研究組，在《自然-神經科學》上在線發表了題為《實時分析大規模神經成像，實現神經動態的閉環研究》的研究論文。相關成果已被授權發明專利“光學腦機接口系統和方法”。

該研究借助天文學領域的數據處理技術，采用FPGA-GPU混合架構，對高達500MB/s的大數據流神經功能數據進行實時配準、信號提取和分析。通過這一技術突破，該團隊首次實現了對斑馬魚全腦十萬級神經元的實時監控與分析，進而對任意選擇的神經元集群活動進行解碼，以控制外部設備。這一成果標志著基于全腦單細胞光學成像的虛擬現實、光遺傳調控等技術在腦科學閉環研究中的應用邁出了關鍵一步。

全腦單神經元活動成像是解析大腦并行分布式計算原理的工具，但巨大的數據處理需求成為難以逾越的技術瓶頸，導致難以實時分析以及在大尺度上閉環調控和研究腦功能。受天文學領域中快速射電暴檢測技術的啟發，科研人員借鑒FX系統設計策略，利用FPGA編程的靈活性建立光學神經信號預處理系統，對來自光學傳感器的信號規整化，并將其發送給基于GPU的實時處理系統，進行高速非線性配準，提取各信道的神經信號，依據編碼規則進行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號。該系統通過實時監測斑馬魚全腦神經元的活動，生成反饋信號，且反饋間隔小于70.5毫秒。

系統性能在三個腦科學閉環研究場景下進行展示，即與任意特定神經元集群活動鎖相的實時光遺傳學刺激，與特定大腦功能狀態鎖相的實時視覺刺激，以及基于神經元集群活動的虛擬現實控制。

在閉環實時光遺傳學神經調控方面，研究通過功能聚類識別全腦神經元集群，將選定集群的自發活動作為觸發信號，實時實施光遺傳學刺激于目標神經元集群。相對于開環，閉環刺激有效激活了下游腦區。

在鎖相的實時視覺刺激實驗方面，研究通過對藍斑去甲腎上腺素能系統活動的實時監測，在表征動物清醒狀態的藍斑興奮時相上施加視覺刺激，觀察到大腦中其他神經元的反應更強烈。研究表明，大腦狀態可調節對視覺信息的處理，閉環感覺刺激有助于探究大腦內部狀態與外界環境的相互作用。

在全腦光學腦機接口實現的虛擬現實方面，研究實時將高維的全腦所有神經元活動降維到多個神經元集群的活動，并將任一集群的活動與視覺環境閉環聯接，建立基于光學成像、直接從腦神經元活動到視覺環境的虛擬現實系統。該虛擬現實中，可隨意調整神經活動與環境耦合的增益，使控制環境的神經元集群根據增益變化適應性地調整其活動輸出。未來，依托大數據流的實時分析和高通量全腦成像技術，科研人員將可以篩選出適合光學腦機接口的神經群體活動特征并揭示其機制，開發出更高效的光學腦機接口技術。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市和深圳市的支持。

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