北大研發(fā)了一款能佩戴在小白鼠頭上的“微型顯微鏡”，腦洞有多大？

1400克的大腦，包含了百億級(jí)神經(jīng)元和百萬億級(jí)的神經(jīng)突觸，這些復(fù)雜卻精密的連接是思想的源起。

2013年開始，歐洲、美國和日本相繼啟動(dòng)了大腦研究計(jì)劃，“中國腦計(jì)劃（China Brain Project）”于2015年發(fā)布，在理解人類認(rèn)知神經(jīng)的基礎(chǔ)上，中國腦計(jì)劃有兩個(gè)研究方向：以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導(dǎo)向的腦科學(xué)研究；和以建立和發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。

正是在這樣的大背景下，5月31日，北京大學(xué)發(fā)布了研制的新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，該技術(shù)由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、動(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)研發(fā)而成。

該計(jì)劃于三年前啟動(dòng)，并入選基金委國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)，獲得7200萬元的經(jīng)費(fèi)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(dòng)物頭顱窗上，實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。腦計(jì)劃研究主要集中在四個(gè)層面：記錄技術(shù)、刺激技術(shù)、分析技術(shù)、以及各種技術(shù)在腦功能和行為發(fā)面的應(yīng)用；微型化雙光子熒光顯微成像技術(shù)則在記錄層面改變了觀察生物自由活動(dòng)中的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)方式。

北大研發(fā)了一款能佩戴在小白鼠頭上的“微型顯微鏡”，腦洞有多大？

圖為微型化雙光子熒光顯微鏡的設(shè)計(jì)與組裝（該成果研究論文已于5月29日發(fā)表在自然雜志子刊Nature Methods上，相關(guān)技術(shù)文檔同步發(fā)表于Protocol Exchange，并已申請多項(xiàng)專利。）

“從微型化、分辨率、成像速度綜合來看是國際領(lǐng)先的。”北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)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(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻達(dá) 40Hz（256*256 像素），具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒 1 萬線的線掃描能力；并采用了自主研發(fā)設(shè)計(jì)的光子晶體光纖，可實(shí)現(xiàn) 920nm 激光傳輸；熒光信號(hào)的接收則采用自主研發(fā)的柔性光纖束，避免了動(dòng)物活動(dòng)時(shí)熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。

為了讓實(shí)驗(yàn)者更好的操作，研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)置了一站式顯微成像平臺(tái)，平臺(tái)本身既是雙光子顯示鏡，也能對小鼠行為學(xué)進(jìn)行觀測并采集接收熒光信號(hào)。雙光子激發(fā)與單光子激發(fā)相比，具有更好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，橫向分辨率達(dá)到 0.65μm。

“以前只能在動(dòng)物固定的情況下做成像實(shí)驗(yàn)，這樣不僅限制了動(dòng)物行為，而且限制了研究領(lǐng)域，動(dòng)物肢體參與的行為學(xué)是無法研究的?！毖邪l(fā)人員向鈦媒體介紹。

新研發(fā)的顯微鏡，可以在自由活動(dòng)的動(dòng)物上進(jìn)行研究，在懸尾實(shí)驗(yàn)、社交實(shí)驗(yàn)、小鼠從高臺(tái)跳下來等實(shí)驗(yàn)過程中，能得到高分辨率和穩(wěn)定的神經(jīng)活動(dòng)圖像。在動(dòng)物覓食、哺乳、跳臺(tái)、大豆、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，可以長時(shí)間觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)變化。

腦科學(xué)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(jì)算量進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

人工智能由弱向強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵在于向生物腦學(xué)習(xí)，“比如學(xué)會(huì)一件事情就是一個(gè)條件學(xué)習(xí)的過程，在這個(gè)過程中，神經(jīng)回路正在發(fā)生什么樣的變化原來是沒辦法知道的，但顯微鏡有可能看到，在執(zhí)行某一行為的過程中某一個(gè)回路在各個(gè)不同層次、不同特征的變化。”

即便AlphaGo一次又一次戰(zhàn)勝圍棋圣手，但硅基屬性的計(jì)算機(jī)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(rèn)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(xué)家 Alcino J Silva教授在評述中如是說，“通過對細(xì)胞群體中可辨識(shí)的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理?！?/p>

在談到商業(yè)應(yīng)用前景時(shí)，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(xué)年會(huì)以及2017年5月的冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上，程院士分別介紹過這款產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)有不少團(tuán)隊(duì)聯(lián)系合作，在北大支持下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(huì)在后續(xù)技術(shù)成熟條件下實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化落地。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)告訴鈦媒體，他們下一步的重點(diǎn)計(jì)劃是開發(fā)顯微鏡的2.0版本，結(jié)合光遺傳學(xué)技術(shù)、圖像的不相關(guān)校正等技術(shù)，對顯微鏡的微型化探頭進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提升分辨率和成像速度等更深度的需求。endprint