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想知道大脑如何运作?先画一张脑数字图谱

来源:科技日报  发布时间:2018-06-07 15:36

  戴上VR眼镜,双手各持一个手柄,眼前就会呈现出一个百转千回的大脑神经元三维图像,科学家可以在其中准确地描绘一个个神经元的走向、形态,为大脑神经元绘制出一张数字图谱。

  “人脑神经元总量高达860亿个,被称为宇宙中已知最复杂的机体构造,然而人类从事脑研究已近百年,仍然没能搞清楚究竟有多少种神经元,以及它们的交互关系。”东南大学生命科学研究院院长谢维说。

  在最近刚成立的东南大学脑科学与智能技术研究院,科技日报记者看到科研人员正运用可视化软件和VR设备,重建单个脑神经元。

  “脑子里怎么想的”还是个谜

  脑科学研究不仅是当前国际科技前沿的热点领域,也是理解自然和人类本身的“终极疆域”。目前,美国将神经元三维形态和基本类型作为重点研究领域,我国“科技创新2030重大项目”也已启动“脑科学与类脑研究”。

  一直以来,科学家最感兴趣的是大脑究竟是如何实现认知功能。过去,我们仅知道在宏观尺度上不同脑区的联结与认识功能,比如脑核部分掌管人类日常基本生活的处理,脑缘系统负责行动、情绪、记忆处理等功能,大脑皮质则负责人脑较高级的认知和情绪功能等。

  但是,微观尺度的大脑工作机制则要复杂得多。比如在微纳米表现为突触连接的分子构架与信号传递,在百微米尺度则表现为大脑皮质功能柱等局域神经回路与信息编码。

  谢维告诉科技日报记者,东南大学已经与美国艾伦脑研究所展开合作,定位脑科学前沿领域、为全世界提供脑科学大数据资源。此次成立的东南大学脑科学与智能技术研究院,意在整合各学科优势资源,打通脑科学研究成果和智能技术的壁垒,更好促进产、学、研融合。

  让“读心术”这种超能力成真

  “我们现在做的主要工作,就是将大脑神经元结构数字化,建成一个脑科学大数据库,为生物医学研究提供珍贵的数据资源。”在描述如何绘制大脑神经元3D图谱时,东南大学艾伦联合中心主任彭汉川形容为“海量大数据,高度复杂性”。

  面对数百亿神经元和海量数据,如果使用传统的神经科学研究方法和数据计算分析方式,则无法对大脑进行有效的研究。东南大学今后将利用该校自主研发的传感、采集设备和可视化软件,率先开展脑神经元重建工作。

  “我们这套人工智能软件算法效率很高,3—4天就绘制一个脑神经元的数字图谱,目前已经完成近40个神经元的数字化重建。今后有望使用新技术把效率提高几十倍甚至上百倍。”彭汉川说。

  绘制大脑神经元3D图谱形成的脑科学大数据,将为儿童认知障碍、大脑疾病的干预治疗、青少年脑智发育的规律探索,以及研究人的情绪变化,提供科学分析。

  在东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室,一位研究人员头戴连着各种线的奇怪帽子,他正在测试多模态社会情绪评测系统。受试人员的皮肤、心率、呼吸、脑电信号等被实时监测。系统会基于脑电帽、近红外、心电波、表情传感器等,收集人的情感变化,实时判断人的情绪,大屏幕上会根据情绪变化跳出笑脸或哭脸。

  “有了脑科学大数据资源,再用一个‘脑电帽’传感器,可以让‘读心术’的超能力成真。”实验室主任郑文明介绍说,这套系统已经在南京脑科医院试用,它可以自动分析出人的情绪调节能力、同感能力,目前已对100多例儿童孤独症、自闭症进行早期筛查评测。

责任编辑:高翔


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