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超6000个!上海脑科学重大专项里程碑成果诞生

发布日期:2022-04-04 13:46   来源:未知   阅读:

  3月31日23:00,《Nature Neuroscience》期刊以封面文章的形式在线发表了题为《小鼠前额叶单神经元投射图谱》的研究论文,该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心严军研究组、徐宁龙研究组与华中科技大学苏州脑空间信息研究院、武汉光电国家研究中心龚辉团队合作完成。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士在发布会上表示:“在国际上,美国、欧盟、日本等都在进行脑图谱相关研究。目前,我国在小鼠脑神经联接图谱方面的此项研究处于国际前沿,希望整体脑研究水平以后会并驾齐驱。此次,超6000个单神经元全脑投射谱成果的诞生建立了很好的合作机制,这在脑科学领域是一项示范。”

  “这项成果从4年前开始布局,是面向世界科技前沿,团队攻关模式的重要实践。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心副主任(主持工作)杜久林在发布会对上海市科委的前瞻布局与长期支持表示感谢。

  上海科技还从发布会上了解到,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的脑图谱绘制在斑马鱼、小鼠、猕猴图谱等方面都取得了重要进展。其中,斑马鱼图谱不久后即将发布。这些脑图谱工具的制作,将用于疾病研究方面的模型以及脑疾病的医疗和建立相关产业基础。

  绘制小鼠等哺乳动物大脑中单神经元水平的全脑投射图谱,需要在太字节(TB)量级的全脑光学成像大数据中,对单神经元形态逐个进行三维重构。整个过程工作量大、极为复杂和耗时,是国际上公认的难题。

  严军研究组通过数年的努力攻关,自主开发了以Fast Neurite Tracer (FNT)为代表的TB级光学成像大数据神经元追踪及分析软件,为研究模式动物的全脑神经联接图谱建立了一套国际领先的研究方法和流程。

  中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究组组长严军介绍,中心在2015年建立了FNT神经元追踪流程软件,处于国际领先水平。所谓“介观”,是在微米水平上的脑联接图谱,这在国际上也是先进技术在攻关的方向。

  “脑联接图谱是理解大脑功能的基础,我个人认为此次研究成果对人工智能的启发意义很大。”严军表示。前额叶皮层是大脑中最高等的脑区,就像一个司令部。在计算神经科学领域,一直有一个模型就是recurrent network(循环神经网络)。但是这个网络是非常抽象的,并且缺乏真实脑网络的结构基础。我们的工作实际上第一次展现了小鼠前额叶皮层中存在64类神经元投射亚型,并且前额叶皮层内部连接存在模块化结构,为人工智能设计网络结构提供了很多的启示。

  中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究组组长徐宁龙认为:“此次,我们的研究揭示的前额叶这种广泛的、自上而下的反馈结构,在人工智能的网络架构中基本上是缺失的。目前,大部分的人工智能深度学习网络都是前馈型的,而且主要是逐级调节联结强度,缺乏长距离跨级反馈架构。这种跨级反馈对于实现灵活抉择和功能泛化是十分重要的,而现有的人工智能系统往往缺乏灵活泛化能力。因此我们发现的前额叶全脑联接图谱,对于人工智能网络架构的发展可能提供了重要的设计线索。

  华中科技大学苏州脑空间信息研究院副院长龚辉认为:“脑联接图谱研究在脑疾病方面的应用也很重要。例如,脑前额叶负责的成瘾、工作记忆等功能,让我们理解了在不同的疾病中可能有更细致的通路参与到调控之中。”

  龚辉介绍,以老年痴呆疾病研究为例,一个重要的发现是患老年痴呆疾病后,前额叶还有其他脑区神经元的形态会发生变化,尤其是树突的复杂性会减少。老年痴呆或其他疾病的研究所得到数据,可以跟金标准的数据进行比较,所以说这也是另外一个非常重要的工作基础。

  从2000年华中科技大学开始,龚辉带领团队的全脑显微光学切片断层成像工作已经连续进行了20多年。目前,龚辉团队研发的最新技术是可以对猕猴脑同样进行单神经元的全脑形态的获取。龚辉表示,希望能够把这些新的技术应用于推动国家的科技创新,为中国的全脑器官神经联接图谱研究、国际大科学计划做出贡献。

  蒲慕明介绍,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心十几个实验室都在做功能研究,但脑功能研究缺乏的是结构基础。有了结构基础,才能够真正理解脑功能。所以,未来的研究方向是功能联接图谱。

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