想知道大腦如何運作?先畫(huà)一張腦數字圖譜
戴上VR眼鏡，雙手各持一個(gè)手柄，眼前就會(huì )呈現出一個(gè)百轉千回的大腦神經(jīng)元三維圖像，科學(xué)家可以在其中準確地描繪一個(gè)個(gè)神經(jīng)元的走向、形態(tài)，為大腦神經(jīng)元繪制出一張數字圖譜。
“人腦神經(jīng)元總量高達860億個(gè)，被稱(chēng)為宇宙中已知最復雜的機體構造，然而人類(lèi)從事腦研究已近百年，仍然沒(méi)能搞清楚究竟有多少種神經(jīng)元，以及它們的交互關(guān)系。”東南大學(xué)生命科學(xué)研究院院長(cháng)謝維說(shuō)。
在最近剛成立的東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院，科技日報記者看到科研人員正運用可視化軟件和VR設備，重建單個(gè)腦神經(jīng)元。
“腦子里怎么想的”還是個(gè)謎
腦科學(xué)研究不僅是當前國際科技前沿的熱點(diǎn)領(lǐng)域，也是理解自然和人類(lèi)本身的“終極疆域”。目前，美國將神經(jīng)元三維形態(tài)和基本類(lèi)型作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，我國“科技創(chuàng )新2030重大項目”也已啟動(dòng)“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”。
一直以來(lái)，科學(xué)家最感興趣的是大腦究竟是如何實(shí)現認知功能。過(guò)去，我們僅知道在宏觀(guān)尺度上不同腦區的聯(lián)結與認識功能，比如腦核部分掌管人類(lèi)日?；旧畹奶幚?，腦緣系統負責行動(dòng)、情緒、記憶處理等功能，大腦皮質(zhì)則負責人腦較高級的認知和情緒功能等。
但是，微觀(guān)尺度的大腦工作機制則要復雜得多。比如在微納米表現為突觸連接的分子構架與信號傳遞，在百微米尺度則表現為大腦皮質(zhì)功能柱等局域神經(jīng)回路與信息編碼。
謝維告訴科技日報記者，東南大學(xué)已經(jīng)與美國艾倫腦研究所展開(kāi)合作，定位腦科學(xué)前沿領(lǐng)域、為全世界提供腦科學(xué)大數據資源。此次成立的東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院，意在整合各學(xué)科優(yōu)勢資源，打通腦科學(xué)研究成果和智能技術(shù)的壁壘，更好促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研融合。
讓“讀心術(shù)”這種超能力成真
“我們現在做的主要工作，就是將大腦神經(jīng)元結構數字化，建成一個(gè)腦科學(xué)大數據庫，為生物醫學(xué)研究提供珍貴的數據資源。”在描述如何繪制大腦神經(jīng)元3D圖譜時(shí)，東南大學(xué)艾倫聯(lián)合中心主任彭漢川形容為“海量大數據，高度復雜性”。
面對數百億神經(jīng)元和海量數據，如果使用傳統的神經(jīng)科學(xué)研究方法和數據計算分析方式，則無(wú)法對大腦進(jìn)行有效的研究。東南大學(xué)今后將利用該校自主研發(fā)的傳感、采集設備和可視化軟件，率先開(kāi)展腦神經(jīng)元重建工作。
“我們這套人工智能軟件算法效率很高，3—4天就繪制一個(gè)腦神經(jīng)元的數字圖譜，目前已經(jīng)完成近40個(gè)神經(jīng)元的數字化重建。今后有望使用新技術(shù)把效率提高幾十倍甚至上百倍。”彭漢川說(shuō)。
繪制大腦神經(jīng)元3D圖譜形成的腦科學(xué)大數據，將為兒童認知障礙、大腦疾病的干預治療、青少年腦智發(fā)育的規律探索，以及研究人的情緒變化，提供科學(xué)分析。
在東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，一位研究人員頭戴連著(zhù)各種線(xiàn)的奇怪帽子，他正在測試多模態(tài)社會(huì )情緒評測系統。受試人員的皮膚、心率、呼吸、腦電信號等被實(shí)時(shí)監測。系統會(huì )基于腦電帽、近紅外、心電波、表情傳感器等，收集人的情感變化，實(shí)時(shí)判斷人的情緒，大屏幕上會(huì )根據情緒變化跳出笑臉或哭臉。
“有了腦科學(xué)大數據資源，再用一個(gè)‘腦電帽’傳感器，可以讓‘讀心術(shù)’的超能力成真。”實(shí)驗室主任鄭文明介紹說(shuō)，這套系統已經(jīng)在南京腦科醫院試用，它可以自動(dòng)分析出人的情緒調節能力、同感能力，目前已對100多例兒童孤獨癥、自閉癥進(jìn)行早期篩查評測。(記者 張 曄)
