北大研發了一款能佩戴在小白鼠頭上的「微型顯微鏡」,腦洞有多大?

2020-11-29 中關村在線

楊蕙寧根據新一代微型化雙光子螢光成像技術作畫

1400克的大腦，包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，這些複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了大腦研究計劃，「中國腦計劃（China Brain Project）」於2015年發布，在理解人類認知神經的基礎上，中國腦計劃有兩個研究方向：以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究；和以建立和發展人工智慧技術為導向的類腦研究。

正是在這樣的大背景下，5月31日，北京大學發布了研製的新一代微型化雙光子螢光顯微鏡，該技術由北京大學分子醫學研究所、信息科學技術學院、動態成像中心、生命科學學院、工學院聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院組成的跨學科團隊研發而成。

該計劃於三年前啟動，併入選基金委國家重大科研儀器設備研製專項，獲得7200萬元的經費支持。

新一代微型化雙光子螢光顯微鏡，重量僅為2.15克，適合佩戴在小動物頭顱窗上，實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號。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麵的應用；微型化雙光子螢光顯微成像技術則在記錄層面改變了觀察生物自由活動中的細胞和亞細胞結構方式。

圖為微型化雙光子螢光顯微鏡的設計與組裝（該成果研究論文已於5月29日發表在自然雜誌子刊Nature Methods上，相關技術文檔同步發表於Protocol Exchange，並已申請多項專利。）

「從微型化、解析度、成像速度綜合來看是國際領先的。」北京大學分子醫學研究所程和平院士介紹稱，該顯微鏡採用雙軸對稱高速微機電系統轉鏡掃描技術，成像幀頻達 40Hz(256*256 像素)，具備多區域隨機掃描和每秒 1 萬線的線掃描能力；並採用了自主研發設計的光子晶體光纖，可實現 920nm 雷射傳輸；螢光信號的接收則採用自主研發的柔性光纖束，避免了動物活動時螢光傳輸光纜拖拽而受到幹擾的難題。

為了讓實驗者更好的操作，研發團隊設置了一站式顯微成像平臺，平臺本身既是雙光子顯示鏡，也能對小鼠行為學進行觀測並採集接收螢光信號。雙光子激發與單光子激發相比，具有更好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優勢，橫向解析度達到 0.65μm。

「以前只能在動物固定的情況下做成像實驗，這樣不僅限制了動物行為，而且限制了研究領域，動物肢體參與的行為學是無法研究的。」研發人員向鈦媒體介紹。

新研發的顯微鏡，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，能得到高解析度和穩定的神經活動圖像。在動物覓食、哺乳、跳臺、大豆、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，可以長時間觀察神經突觸、神經元、神經網絡、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化。

腦科學研究就是嘗試揭示自然智能規律的過程，而目前的人工智慧多是對自然智能的模仿或改造，仍處於弱人工智慧狀態，需要更多的計算量進行深度學習。

人工智慧由弱向強的轉變，關鍵在於向生物腦學習，「比如學會一件事情就是一個條件學習的過程，在這個過程中，神經迴路正在發生什麼樣的變化原來是沒辦法知道的，但顯微鏡有可能看到，在執行某一行為的過程中某一個迴路在各個不同層次、不同特徵的變化。」

即便AlphaGo一次又一次戰勝圍棋聖手，但矽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。受大腦啟發的人工智慧所面臨的終極挑戰是，理解人類的認知過程。

「它所開啟的大門，甚至超越了神經元和樹突成像。」美國著名神經科學家 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複雜生物學事件進行成像觀測，從而更加深刻地理解進化所造就的大腦環路實現複雜行為的核心工程學原理。」

在談到商業應用前景時，程和平院士感慨，「反響比我們想像的熱烈。」

在2016年12月舉辦的神經科學年會以及2017年5月的冷泉港亞洲腦科學專題會議上，程院士分別介紹過這款產品，現在已經有不少團隊聯繫合作，在北大支持下，研發團隊也成立了「北京超維景生物科技有限公司」，目前獲得天使輪融資，由協同創新基金和中科創星參與投資，會在後續技術成熟條件下實現項目的產業化落地。

研發團隊告訴鈦媒體，他們下一步的重點計劃是開發顯微鏡的2.0版本，結合光遺傳學技術、圖像的不相關校正等技術，對顯微鏡的微型化探頭進行改進，進一步提升解析度和成像速度等更深度的需求。（本文首發鈦媒體，記者/付夢雯）

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