楊蕙寧按照新一代微型化雙光子熒光成像技術作畫

1400克的大腦，包羅了百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(jīng)突觸，這些復雜卻精密的連接是思想的源起。

2013年開始，歐洲、美國和日真相繼啟動了大腦研究計劃，“中國腦計劃（China Brain Project）”于2015年發(fā)布，在理解人類認知神經(jīng)的基礎上，中國腦計劃有兩個研究標的目的：以探索大腦奧秘、并吞大腦疾病為導向的腦科學研究；和以建立和發(fā)展人工智能技術為導向的類腦研究。

正是在這樣的大配景下，5月31日，北京大學發(fā)布了研制的新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，該技術由北京大學分子醫(yī)學研究所、信息科學技術學院、動態(tài)成像中心、生命科學學院、工學院聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院組成的跨學科團隊研發(fā)而成。

該計劃于三年前啟動，并入選基金委國家重大科研儀器設備研制專項，獲得7200萬元的經(jīng)費支持。

新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，重量僅為2.15克，適合佩戴在小動物頭顱窗上，實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號。腦計劃研究主要集中在四個層面：記錄技術、刺激技術、分析技術、以及各種技術在腦功能和行為發(fā)面的應用；微型化雙光子熒光顯微成像技術則在記錄層面改變了不雅觀察生物自由活動中的細胞和亞細胞結構方式。

圖為微型化雙光子熒光顯微鏡的設計與組裝（該成果研究論文已于5月29日頒發(fā)在自然雜志子刊Nature Methods上，相關技術文檔同步頒發(fā)于Protocol Exchange，并已申請多項專利。）

“從微型化、分辨率、成像速度綜合來看是國際領先的。”北京大學分子醫(yī)學研究所程和平院士介紹稱，該顯微鏡采用雙軸對稱高速微機電系統(tǒng)轉鏡掃描技術，成像幀頻達 40Hz(256*256 像素)，具備多區(qū)域隨機掃描和每秒 1 萬線的線掃描能力；并采用了自主研發(fā)設計的光子晶體光纖，可實現(xiàn) 920nm 激光傳輸；熒光信號的接收則采用自主研發(fā)的柔性光纖束，制止了動物活動時熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。

為了讓實驗者更好的操作，研發(fā)團隊設置了一站式顯微成像平臺，平臺自己既是雙光子顯示鏡，也能對小鼠行為學進行不雅觀測并采集接收熒光信號。雙光子激發(fā)與單光子激發(fā)比擬，具有更好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，橫向分辨率達到 0.65μm。

“以前只能在動物固定的情況下做成像實驗，這樣不但限制了動物行為，并且限制了研究領域，動物肢體參與的行為學是無法研究的。”研發(fā)人員向鈦媒體介紹。

新研發(fā)的顯微鏡，可以在自由活動的動物上進行研究，在懸尾實驗、社交實驗、小鼠從高臺跳下來等實驗過程中，能得到高分辨率和不變的神經(jīng)活動圖像。在動物覓食、哺乳、跳臺、大豆、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，可以長時間不雅觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡、遠程連接的腦區(qū)等多標準、多層次動態(tài)變革。

腦科學研究就是嘗試揭示自然智能規(guī)律的過程，而目前的人工智能多是對自然智能的模仿或改造，仍處于弱人工智能狀態(tài)，需要更多的計算量進行深度學習。

人工智能由弱向強的轉變，關鍵在于向生物腦學習，“好比學會一件事情就是一個條件學習的過程，在這個過程中，神經(jīng)回路正在發(fā)生什么樣的變革本來是沒措施知道的，但顯微鏡有可能看到，在執(zhí)行某一行為的過程中某一個回路在各個差別層次、差別特征的變革?！?/p>

即便AlphaGo一次又一次戰(zhàn)勝圍棋圣手，但硅基屬性的計算機仍抵不過人類大腦——目前唯一真正的智能系統(tǒng)。受大腦啟發(fā)的人工智能所面臨的終極挑戰(zhàn)是，理解人類的認知過程。

“它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像?！泵绹窠?jīng)科學家 Alcino J Silva教授在評述中如是說，“通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的復雜生物學事件進行成像不雅觀測，從而更加深刻地理解進化所造就的大腦環(huán)路實現(xiàn)復雜行為的核心工程學原理?！?/p>

在談到商業(yè)應用前景時，程和平院士感慨，“反響比我們想象的熱烈?！?/p>

在2016年12月舉辦的神經(jīng)科學年會以及2017年5月的冷泉港亞洲腦科學專題會議上，程院士別離介紹過這款產品，現(xiàn)在已經(jīng)有不少團隊聯(lián)系合作，在北大支持下，研發(fā)團隊也成立了“北京超維景生物科技有限公司”，目前獲得天使輪融資，由協(xié)同創(chuàng)新基金和中科創(chuàng)星參與投資，會在后續(xù)技術成熟條件下實現(xiàn)項目的產業(yè)化落地。