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北大发布能戴小白鼠头上的“微型显微镜” 监控脑细胞
作者:   来源:金融界   发布者:左丽媛   日期:2017-06-08   今日/总浏览:1/495

“新一代微型化双光子荧光显微镜”在脑科学研究的记录层面,改变了观察生物自由活动中的细胞和亚细胞结构方式。它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。

1400克的大脑,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,这些复杂却精密的连接是思想的源起。

2013年开始,欧洲、美国和日本相继启动了大脑研究计划,“中国脑计划(China Brain Project)”于2015年发布,在理解人类认知神经的基础上,中国脑计划有两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究;和以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究。

正是在这样的大背景下,5月31日,北京大学发布了研制的新一代微型化双光子荧光显微镜,该技术由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成的跨学科团队研发而成。

该计划于三年前启动,并入选基金委国家重大科研仪器设备研制专项,获得7200万元的经费支持。

新一代微型化双光子荧光显微镜,重量仅为2.15克,适合佩戴在小动物头颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。脑计划研究主要集中在四个层面:记录技术、刺激技术、分析技术、以及各种技术在脑功能和行为发面的应用;微型化双光子荧光显微成像技术则在记录层面改变了观察生物自由活动中的细胞和亚细胞结构方式。

图为微型化双光子荧光显微镜的设计与组装(该成果研究论文已于5月29日发表在自然杂志子刊Nature Methods上,相关技术文档同步发表于Protocol ExchanGE,并已申请多项专利。)

“从微型化、分辨率、成像速度综合来看是国际领先的。”北京大学分子医学研究所程和平院士介绍称,该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频达 40Hz(256*256 像素),具备多区域随机扫描和每秒 1 万线的线扫描能力;并采用了自主研发设计的光子晶体光纤,可实现 920nm 激光传输;荧光信号的接收则采用自主研发的柔性光纤束,避免了动物活动时荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。

为了让实验者更好的操作,研发团队设置了一站式显微成像平台,平台本身既是双光子显示镜,也能对小鼠行为学进行观测并采集接收荧光信号。双光子激发与单光子激发相比,具有更好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,横向分辨率达到 0.65μm。

“以前只能在动物固定的情况下做成像实验,这样不仅限制了动物行为,而且限制了研究领域,动物肢体参与的行为学是无法研究的。”研发人员向钛媒体介绍。

新研发的显微镜,可以在自由活动的动物上进行研究,在悬尾实验、社交实验、小鼠从高台跳下来等实验过程中,能得到高分辨率和稳定的神经活动图像。在动物觅食、哺乳、跳台、大豆、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,可以长时间观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。

脑科学研究就是尝试揭示自然智能规律的过程,而目前的人工智能多是对自然智能的模仿或改造,仍处于弱人工智能状态,需要更多的计算量进行深度学习。

人工智能由弱向强的转变,关键在于向生物脑学习,“比如学会一件事情就是一个条件学习的过程,在这个过程中,神经回路正在发生什么样的变化原来是没办法知道的,但显微镜有可能看到,在执行某一行为的过程中某一个回路在各个不同层次、不同特征的变化。”

即便AlphaGo一次又一次战胜围棋圣手,但硅基属性的计算机仍抵不过人类大脑——目前唯一真正的智能系统。受大脑启发的人工智能所面临的终极挑战是,理解人类的认知过程。

“它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。”美国著名神经科学家 Alcino J Silva教授在评述中如是说,“通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。”

在谈到商业应用前景时,程和平院士感慨,“反响比我们想象的热烈。”

在2016年12月举办的神经科学年会以及2017年5月的冷泉港亚洲脑科学专题会议上,程院士分别介绍过这款产品,现在已经有不少团队联系合作,在北大支持下,研发团队也成立了“北京超维景生物科技有限公司”,目前获得天使轮融资,由协同创新基金和中科创星参与投资,会在后续技术成熟条件下实现项目的产业化落地。

研发团队告诉钛媒体,他们下一步的重点计划是开发显微镜的2.0版本,结合光遗传学技术、图像的不相关校正等技术,对显微镜的微型化探头进行改进,进一步提升分辨率和成像速度等更深度的需求。

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