程和平 中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任

腦科學(xué)研究剛剛起步，更大的成果正等著我們?nèi)ヌ剿鳎磥磉@個世紀可能會被稱為腦科學(xué)的世紀。

(資料圖片僅供參考)

為腦科學(xué)研究打造裝備

腦科學(xué)研究包括“讀、釋、寫、仿”四個方面，是一門高度交叉的新興前沿學(xué)科。

“讀”就是獲取大腦信號處理過程中的動態(tài)變化，即“讀取”腦信號?！搬尅笔窃讷@取海量數(shù)據(jù)后，解碼腦信號。光靠能夠捕捉腦信號的儀器和經(jīng)典的數(shù)據(jù)分析技術(shù)是不夠的，這時就需要借助深度學(xué)習訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等類腦人工智能技術(shù)，反過來幫助我們來解讀腦信號。

“寫”是通過施加刺激，如腦機接口，來干預(yù)腦、調(diào)控腦?！胺隆钡囊馑己軓V，我這里的“仿”主要是指腦模擬，模擬一個核團、一個區(qū)域，從而發(fā)現(xiàn)或驗證腦機制、發(fā)現(xiàn)新原理，并推動人工智能的發(fā)展。個人認為，腦科學(xué)對臨床腦醫(yī)學(xué)、未來腦科學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是大有幫助的。

我是給腦科學(xué)研究打造裝備、給腦科學(xué)“打工”的，主要工作是研發(fā)觀測裝備，搭建新型平臺， 并通過平臺探索腦科學(xué)等復(fù)雜科學(xué)的研究范式。

為開發(fā)“讀”工具，我們團隊于2017年成功研發(fā)了一種高速、高分辨率的微型化雙光子顯微鏡，探頭重量僅為2.2克，其在自由行為小鼠大腦皮層上實現(xiàn)了神經(jīng)元和神經(jīng)突觸穩(wěn)定、清晰的記錄。2021年，第二代微型化雙光子顯微鏡問世，其成像視野較第一代擴大了7.8倍，工作距離擴展至1毫米，并實現(xiàn)了三維空間中近千個神經(jīng)元的功能成像。微型化雙光子顯微成像技術(shù)的突破，開啟了研究大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的新范式。

2023年2月，我們團隊在《自然方法》雜志在線發(fā)表了最新研究成果——重量僅為2.17克的微型化三光子顯微鏡。新研制的微型化三光子顯微鏡一舉突破了此前的成像深度極限，顯微鏡激發(fā)光路可穿透小鼠大腦皮層和胼胝體，實現(xiàn)對小鼠海馬CA1亞區(qū)的直接觀測記錄，神經(jīng)元鈣信號最大成像深度可達1.2毫米，血管成像深度可達1.4毫米，為揭示大腦深部神經(jīng)機制提供了又一“利器”。

為滿足國家載人航天及空間腦科學(xué)研究的需求，我們團隊自主研制出空間站雙光子顯微鏡，并于2023年2月對其進行了在軌驗證實驗并取得成功。此次實驗實現(xiàn)了多項“第一”，包括世界上首次實現(xiàn)雙光子顯微鏡在軌正常運行、國內(nèi)首次實現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運行、國際上首次在軌觀測航天員細胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息，該成果為未來利用中國空間站平臺開展腦科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)手段。

生命科學(xué)需要新型研究平臺

為支撐中國“腦計劃”，基于我國科學(xué)家主創(chuàng)的前沿技術(shù)，我們建成了“南京腦觀象臺”，其具備“讀、釋、寫、仿”四項功能。該平臺由相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜翌I(lǐng)銜建設(shè)，正在開展腦科學(xué)“探索計劃”項目，主題涉及皮質(zhì)工作記憶、睡眠、自閉癥、抑郁癥、神經(jīng)藥理學(xué)和神經(jīng)元再生等。

還有一個好消息。作為國之重器，“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施”的建設(shè)正在如火如荼地進行，預(yù)計于今年底投入試運行，2024年完成國家驗收。嚴格來說，多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施就是“生命觀象臺”，它把幾十種模態(tài)，兩兩融合、三三融合，最多可以做到六七種融合的模態(tài)，進而形成一些新的研究范式，其能夠幫助我們更好地理解大腦。

依托此成像大設(shè)施，我們已啟動“早鳥項目”，面向全國科技界滾動征集合作立項建議，計劃在未來3—5年內(nèi)發(fā)起生命科學(xué)領(lǐng)域的大科學(xué)計劃，充分發(fā)揮“科技航母”的戰(zhàn)略價值。

大科學(xué)時代的生命科學(xué)特別需要新工具、新型研究平臺。工具和平臺需要學(xué)科支撐，也需要產(chǎn)業(yè)支撐，更需要創(chuàng)新人才支撐。

未來，更多新工具的開發(fā)以及新范式的探索，特別是大科學(xué)時代有組織的科研新范式，將為提升我國生物醫(yī)學(xué)研究的整體水平、實現(xiàn)高端生物醫(yī)學(xué)儀器裝備的“中國創(chuàng)造”提供強有力的戰(zhàn)略支撐和保障。

（本版圖片由廣東院士聯(lián)合會提供，稿件由本報記者葉青整理）（葉青整理）