想知道大腦如何運(yùn)作?先畫一張腦數(shù)字圖譜
戴上VR眼鏡，雙手各持一個(gè)手柄，眼前就會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)百轉(zhuǎn)千回的大腦神經(jīng)元三維圖像，科學(xué)家可以在其中準(zhǔn)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(shù)字圖譜。
“人腦神經(jīng)元總量高達(dá)860億個(gè)，被稱為宇宙中已知最復(fù)雜的機(jī)體構(gòu)造，然而人類從事腦研究已近百年，仍然沒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)研究院院長謝維說。
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(bào)記者看到科研人員正運(yùn)用可視化軟件和VR設(shè)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(dāng)前國際科技前沿的熱點(diǎn)領(lǐng)域，也是理解自然和人類本身的“終極疆域”。目前，美國將神經(jīng)元三維形態(tài)和基本類型作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，我國“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”也已啟動(dòng)“腦科學(xué)與類腦研究”。
一直以來，科學(xué)家最感興趣的是大腦究竟是如何實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能。過去，我們僅知道在宏觀尺度上不同腦區(qū)的聯(lián)結(jié)與認(rèn)識(shí)功能，比如腦核部分掌管人類日常基本生活的處理，腦緣系統(tǒng)負(fù)責(zé)行動(dòng)、情緒、記憶處理等功能，大腦皮質(zhì)則負(fù)責(zé)人腦較高級的認(rèn)知和情緒功能等。
但是，微觀尺度的大腦工作機(jī)制則要復(fù)雜得多。比如在微納米表現(xiàn)為突觸連接的分子構(gòu)架與信號傳遞，在百微米尺度則表現(xiàn)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(bào)記者，東南大學(xué)已經(jīng)與美國艾倫腦研究所展開合作，定位腦科學(xué)前沿領(lǐng)域、為全世界提供腦科學(xué)大數(shù)據(jù)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(xiàn)在做的主要工作，就是將大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)數(shù)字化，建成一個(gè)腦科學(xué)大數(shù)據(jù)庫，為生物醫(yī)學(xué)研究提供珍貴的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，高度復(fù)雜性”。
面對數(shù)百億神經(jīng)元和海量數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)的神經(jīng)科學(xué)研究方法和數(shù)據(jù)計(jì)算分析方式，則無法對大腦進(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(shè)備和可視化軟件，率先開展腦神經(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(shù)字圖譜，目前已經(jīng)完成近40個(gè)神經(jīng)元的數(shù)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。
繪制大腦神經(jīng)元3D圖譜形成的腦科學(xué)大數(shù)據(jù)，將為兒童認(rèn)知障礙、大腦疾病的干預(yù)治療、青少年腦智發(fā)育的規(guī)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(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一位研究人員頭戴連著各種線的奇怪帽子，他正在測試多模態(tài)社會(huì)情緒評測系統(tǒng)。受試人員的皮膚、心率、呼吸、腦電信號等被實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)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(jù)情緒變化跳出笑臉或哭臉。
“有了腦科學(xué)大數(shù)據(jù)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(yàn)室主任鄭文明介紹說，這套系統(tǒng)已經(jīng)在南京腦科醫(yī)院試用，它可以自動(dòng)分析出人的情緒調(diào)節(jié)能力、同感能力，目前已對100多例兒童孤獨(dú)癥、自閉癥進(jìn)行早期篩查評測。(記者 張 曄)
