戴上VR眼鏡，雙手各持一個手柄，眼前就會呈現(xiàn)出一個百轉(zhuǎn)千回的大腦神經(jīng)元三維圖像，科學(xué)家可以在其中準(zhǔn)確地描繪一個個神經(jīng)元的走向、形態(tài)，為大腦神經(jīng)元繪制出一張數(shù)字圖譜。

“人腦神經(jīng)元總量高達(dá)860億個，被稱為宇宙中已知最復(fù)雜的機(jī)體構(gòu)造，然而人類從事腦研究已近百年，仍然沒能搞清楚究竟有多少種神經(jīng)元，以及它們的交互關(guān)系?！睎|南大學(xué)生命科學(xué)研究院院長謝維說。

在最近剛成立的東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院，科技日報記者看到科研人員正運用可視化軟件和VR設(shè)備，重建單個腦神經(jīng)元。

“腦子里怎么想的”還是個謎

腦科學(xué)研究不僅是當(dāng)前國際科技前沿的熱點領(lǐng)域，也是理解自然和人類本身的“終極疆域”。目前，美國將神經(jīng)元三維形態(tài)和基本類型作為重點研究領(lǐng)域，我國“科技創(chuàng)新2030重大項目”也已啟動“腦科學(xué)與類腦研究”。

一直以來，科學(xué)家最感興趣的是大腦究竟是如何實現(xiàn)認(rèn)知功能。過去，我們僅知道在宏觀尺度上不同腦區(qū)的聯(lián)結(jié)與認(rèn)識功能，比如腦核部分掌管人類日?；旧畹奶幚恚X緣系統(tǒng)負(fù)責(zé)行動、情緒、記憶處理等功能，大腦皮質(zhì)則負(fù)責(zé)人腦較高級的認(rèn)知和情緒功能等。

但是，微觀尺度的大腦工作機(jī)制則要復(fù)雜得多。比如在微納米表現(xiàn)為突觸連接的分子構(gòu)架與信號傳遞，在百微米尺度則表現(xiàn)為大腦皮質(zhì)功能柱等局域神經(jīng)回路與信息編碼。

謝維告訴科技日報記者，東南大學(xué)已經(jīng)與美國艾倫腦研究所展開合作，定位腦科學(xué)前沿領(lǐng)域、為全世界提供腦科學(xué)大數(shù)據(jù)資源。此次成立的東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院，意在整合各學(xué)科優(yōu)勢資源，打通腦科學(xué)研究成果和智能技術(shù)的壁壘，更好促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研融合。

讓“讀心術(shù)”這種超能力成真

“我們現(xiàn)在做的主要工作，就是將大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)數(shù)字化，建成一個腦科學(xué)大數(shù)據(jù)庫，為生物醫(yī)學(xué)研究提供珍貴的數(shù)據(jù)資源?！痹诿枋鋈绾卫L制大腦神經(jīng)元3D圖譜時，東南大學(xué)艾倫聯(lián)合中心主任彭漢川形容為“海量大數(shù)據(jù)，高度復(fù)雜性”。

面對數(shù)百億神經(jīng)元和海量數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)的神經(jīng)科學(xué)研究方法和數(shù)據(jù)計算分析方式，則無法對大腦進(jìn)行有效的研究。東南大學(xué)今后將利用該校自主研發(fā)的傳感、采集設(shè)備和可視化軟件，率先開展腦神經(jīng)元重建工作。

“我們這套人工智能軟件算法效率很高，3—4天就繪制一個腦神經(jīng)元的數(shù)字圖譜，目前已經(jīng)完成近40個神經(jīng)元的數(shù)字化重建。今后有望使用新技術(shù)把效率提高幾十倍甚至上百倍。”彭漢川說。

繪制大腦神經(jīng)元3D圖譜形成的腦科學(xué)大數(shù)據(jù)，將為兒童認(rèn)知障礙、大腦疾病的干預(yù)治療、青少年腦智發(fā)育的規(guī)律探索，以及研究人的情緒變化，提供科學(xué)分析。

在東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點實驗室，一位研究人員頭戴連著各種線的奇怪帽子，他正在測試多模態(tài)社會情緒評測系統(tǒng)。受試人員的皮膚、心率、呼吸、腦電信號等被實時監(jiān)測。系統(tǒng)會基于腦電帽、近紅外、心電波、表情傳感器等，收集人的情感變化，實時判斷人的情緒，大屏幕上會根據(jù)情緒變化跳出笑臉或哭臉。

“有了腦科學(xué)大數(shù)據(jù)資源，再用一個‘腦電帽’傳感器，可以讓‘讀心術(shù)’的超能力成真?！睂嶒炇抑魅梧嵨拿鹘榻B說，這套系統(tǒng)已經(jīng)在南京腦科醫(yī)院試用，它可以自動分析出人的情緒調(diào)節(jié)能力、同感能力，目前已對100多例兒童孤獨癥、自閉癥進(jìn)行早期篩查評測。