這一腦科學研究應用領域的重大突破成果，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心杜久林研究員團隊、中國科學院自動化研究所蒿杰研究員團隊、中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心穆宇研究員團隊共同完成，已獲得授權發(fā)明專利“光學腦機接口系統(tǒng)和方法”，標志著基于全腦單細胞光學成像的虛擬現(xiàn)實、光遺傳調控等技術在腦科學閉環(huán)研究領域的應用邁出了關鍵一步。

　　在本項研究中，研究團隊借助天文學領域的數(shù)據(jù)處理技術，采用FPGA-GPU(現(xiàn)場可編程門陣列-圖形處理器)混合架構，成功對高達500MB/s(兆比特每秒)的大數(shù)據(jù)流神經功能數(shù)據(jù)進行實時配準、信號提取和分析。相關研究論文近日在國際專業(yè)學術期刊《自然-神經科學》(Nature Neuroscience)發(fā)表。

　　研究團隊介紹說，全腦范圍單神經元活動成像是解析大腦并行分布式計算原理的有力工具，但其巨大的數(shù)據(jù)實時處理需求已成為技術發(fā)展的瓶頸，導致難以實時分析以及在大尺度上閉環(huán)調控和研究腦功能。受天文學領域中快速射電暴檢測技術的啟發(fā)，并借鑒其系統(tǒng)設計策略，本項研究利用FPGA編程的靈活性建立光學神經信號預處理系統(tǒng)，對來自光學傳感器的信號規(guī)整化，并將其發(fā)送給基于GPU的實時處理系統(tǒng)，進行高速非線性配準，提取各信道的神經信號，依據(jù)編碼規(guī)則進行解碼，以獲得用于控制外部器件的反饋信號。

　　其研究結果顯示，光學神經信號預處理系統(tǒng)通過實時監(jiān)測斑馬魚全腦神經元的活動，生成反饋信號，反饋間隔小于70.5毫秒。同時，該系統(tǒng)性能可在3個腦科學閉環(huán)研究場景下得到展示：

　　一是閉環(huán)實時光遺傳學神經調控。通過功能聚類識別全腦神經元集群，將選定集群的自發(fā)活動作為觸發(fā)信號，實施實時光遺傳學刺激于目標神經元集群。相對于開環(huán)，閉環(huán)刺激有效激活了下游腦區(qū)。

　　二是鎖相的實時視覺刺激實驗。通過對藍斑去甲腎上腺素能系統(tǒng)活動的實時監(jiān)測，在表征動物清醒狀態(tài)的藍斑興奮時相上施加視覺刺激，觀察到大腦中其他神經元的反應更為強烈。這表明，大腦狀態(tài)可調節(jié)對視覺信息的處理，同時指出閉環(huán)感覺刺激有助于精確研究大腦內部狀態(tài)與外界環(huán)境的相互作用。

　　三是全腦光學腦機接口實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實。實時將高維的全腦所有神經元活動降維到多個神經元集群的活動，并將任一集群的活動與視覺環(huán)境閉環(huán)聯(lián)接，建立基于光學成像、直接從腦神經活動到視覺環(huán)境的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在該虛擬現(xiàn)實中，可以隨意調整神經活動與環(huán)境耦合的增益，使控制環(huán)境的神經元集群根據(jù)增益變化適應性地調整其輸出。

　　研究團隊表示，依托大數(shù)據(jù)流的實時分析和高通量全腦成像技術，他們未來將進一步研究篩選適合光學腦機接口的神經群體活動特征，以揭示其機制，開發(fā)出更高效的光學腦機接口技術，推進腦科學研究范式的發(fā)展。