近十年以来神经工程学的全球研究亮点

使用ChR2的光遗传学刺激

斯坦福大学的Edward S Boyden和Karl Deisseroth教授通过使用慢病毒载体将一种莱茵衣藻的蛋白质ChR2 (Channelrhodopsin-2) 转染到神经元中,实现动作电位与突触传导的兴奋/抑制性控制。

近十年以来神经工程学的全球研究亮点

蓝脑计划(Blue Brain Project,简称BBP)

蓝脑计划尝试利用分子层级的哺乳类脑部逆向工程建立一个电脑模拟脑。该计划于2005年5月由瑞士洛桑联邦理工学院脑与心理研究所(EPFL)在瑞士成立,其任务是利用生物学数据重建和哺乳动物大脑模拟(脑模拟)来识别大脑结构和功能在健康和疾病的基本原则。

该计划由创始人亨利·马克拉姆领导,他也是欧洲人脑计划的负责人,由Felix Schürmann和Sean Hill共同执导。本计划使用蓝色基因超级电脑运行Michael Hines的Neuron(软件),电脑模拟并不仅是包括人工神经网络模型,也包括生物过程的真实神经元模型 ,和一个经验重建模型连接组(connectome)。这个计划希望最终能够揭开意识的本质 。

目前已经有一些相关的子计划领域,包括卡哈尔蓝脑(Cajal Blue Brain (Spain)),它是由马德里理工大学的马德里高速运算和可视化中心(CeSViMa)所主控,其它子系画则由英国、美国和以色列的大学以及独立实验室所执行。

光遗传学工具

  • 抑制神经元活动的光遗传学工具

第一个有效抑制神经元活动的光遗传学工具,是从嗜盐碱菌里头发现的盐系菌视紫红质,简称NpHR。其在黄绿光照射下会将氯离子打进神经元内,使其过极化,而抑制神经元活动。随后科学家将其加上信号肽,使其能在细胞膜上表现更好,即为eNpHR2.0及eNpHR3.0。由于盐系菌视紫红质与光敏感通道接受不同波长的光,因此可以将此二蛋白质表现在同一神经元上,利用不同波长的光活化或抑制该神经元活动,而能更深刻了解该神经元在大脑中扮演的角色。

此外还有从苏打盐红菌里发现的古紫质(Archaerhodopsin-3, Arch),古紫质为反质子泵,其对黄绿光非常敏感,使用900毫安培的黄绿光便能活化,将氢离子运送至神经元外,使其去极化。另外还有从真菌茎基溃疡病菌发现的Mac,可在蓝绿光照射下,将氢离子运送至神经元外。

值得注意的是,NpHR与Arch或Mac用不同机转来抑制神经元活动,近来发现NpHR将氯离子送至细胞内所导致的去极化,会在去极化后提升突触所引起的动作电位产生几率,而将氢离子运送至神经元外的Arch或Mac并无此影响,显示抑制神经元活动的光遗传学工具,可能会和神经原本身的讯号系统互相作用。

  • 活化神经元的光遗传学工具

光敏感通道-1(Channelrhodopsin-1)及光敏感通道-2(Channelrhodopsin-2)皆从莱茵衣藻里发现,将其基因序列修改成最适合哺乳类表达之后,在大多模式生物系统之中都有很稳定的表达,且对细胞没有毒性。其中光敏感通道-2在全反式视黄醛(all-trans retinal)存在之下,可以在接受蓝光刺激,并在50毫秒内,打开通道,使阳离子钠、钾流入细胞内,引起神经细胞去极化。不同的突变使光敏感通道-2有不同的特质,其中最常见的是将第134位的氨基酸由组胺酸突变为精胺酸(ChR2(H134R)),该蛋白质可以产生两倍的光电流,但通道开关速度也比野生种慢了一倍。

在此之后,各式光遗传学工具纷纷出炉,大致上依其组成型态可分成三类。一类为以光敏感通道-2为基础,对其进行点突变,如上述的ChR2(H134R)、ChR2(T159C)(TC)、ChR2(L132C)(CatCh)等等,其中甚至有被称为跃阶光敏感通道(step function opsin, SFO)的突变,如ChR2(C128S/D156A)可以打开其离子通道长达30分钟。第二类则为将某部分光敏感通道-1及光敏感通道-2组合在一起的蛋白质,如ChIEF。第三类则为将光敏感通道-1及由团藻发现的光敏感通道(VChR1)组合在一起的蛋白质,统称为C1V1。

Brainbow技术

哈佛大学的神经科学家开发了Brainbow技术,它代表了神经元标记技术的重大进步。 他们首先在老鼠的大脑上使用了这种方法,并在一些科学期刊上发表了文章和照片。 使用Brainbow技术时产生的图像非常鲜艳生动。 它们被描述为令人惊叹,可与现代艺术或抽象绘画媲美。 图像的照片也获得了摄影奖。

近十年以来神经工程学的全球研究亮点

在研究用Brainbow方法标记的小鼠大脑时,研究人员发现颜色标记可以持续很长时间。 他们已经能够绘制神经元路径,并追踪大脑“回路”之间的变化和重组。 标记单个神经元通路的各种颜色非常有价值,可帮助研究人员开始理解那些曾经纠结的样子。

研究人员对Brainbow标签的潜力充满希望,希望能更多地了解各种神经系统疾病,包括阿尔茨海默氏病和帕金森氏病。 他们希望可以使用它来创建神经元路径的地图或接线图。 一旦做到这一点,他们应该能够确定这些疾病在哪里以及如何改变大脑的连线。 这些知识可能会导致对这些神经系统疾病的更多了解和治疗进展。

高时间精度光遗传学

  • 斯坦福大学的研究人员在大鼠特定大脑区域发现了一小群神经细胞,它们的信号活动可以解释动物间冒险偏好的极大差异。这种活动不仅可以预测,并有效地决定了动物是决定冒险还是坚持安全的选择。斯坦福大学生物工程学、精神病学及行为科学教授、光遗传学之父Karl Deisseroth博士是这篇论文的资深作者。2005年, Deisseroth开发了光遗传学技术,他在细菌视蛋白的帮助下用光控制了大脑细胞的开/关。自那以后,世界各地的研究者们用这一技术对多种受电信号调节的细胞进行了研究,例如神经细胞、心脏细胞、干细胞等等。多年来Deisseroth一直在致力推动这一技术的发展及利用它来探索重要的神经学问题。
  • ChR2(H134R):ChR2的突变体,将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸,该蛋白质可以产生两倍的光电流,但通道开关速度也比野生的ChR2慢了一倍。该突变体是运用最广的一种类型;
  • ChR2(C128S/D156A): ChR2的突变体,超灵敏光敏感通道,用蓝色激光打开通道,然后用绿色或黄色激光关闭通道,可以打开其离子通道长达30分钟;
  • ChR2(E123T/T159C): ChR2的突变体,更大的光电流和更快的动力学变化;
  • ChETA:ChR2的突变体,使得神经元在激光刺激下可以发放200Hz的spike,而其他的ChR2 通道蛋白只能达到40Hz;
  • C1V1:由ChR1及由团藻发现的VChR1组合在一起的通道蛋白,在红色激光刺激下打开通道,该通道蛋白类型更利于双光子激发;
  • ReaChR:能在大脑深处或透过头盖骨激活。

用于神经成像的体内超分辨率显微技术

整个20世纪,科学家始终认为光学显微镜的分辨率不可能超过200纳米。也就是说,只要两点之间的距离小于200纳米,用光学显微镜便无法分辨清楚。但随着21世纪的到来,有关研究揭示,这个分辨率极限其实是可以跨越并解决的。STED显微镜:受激发射损耗显微镜就完美地解决了这一问题。它利用共聚焦可见光获得荧光物质的高分辨率显微图像,大大地改变了光学显微镜的观察能力。后来随着有更高分辨率的光学显微镜被研发出来,现在的标准分辨率已经达到了20纳米,远高于之前的200纳米。因研制出超分辨率荧光显微镜,2014年,Eric Betzig、William E。 Moerner我们三个获得了诺贝尔化学奖。

神经细胞绘图项目EyeWire

EyeWire 是MIT的Sebastian Seung实验室开发的一个绘制神经元网络的电脑游戏,游戏的目的是汇集普通人的力量来绘制大脑的神经元网络图。“EyeWire”是一款由普通人参加绘制脑内神经细胞图的在线游戏。该游戏的特点是,越多的人参加,越能尽快完成。全世界已有14万人参加,正在制作鼠视网膜神经的“连接组”(包含神经细胞连接结构与活动原理的脑神经图)。

脑科学计划

白宫的脑科学计划(英语:BRAIN Initiative),是由奥巴马政府于2013年4月2日宣布的一项合作性、公私合营的研究计划,其目的在于支持创新技术的开发和应用,从而动态理解脑功能。

这项活动是一项重大挑战,目的在于彻底改变我们对人脑的理解 ,由白宫科学技术政策办公室(OSTP)发起 ,是白宫神经科学计划的一部分。 受人类基因组计划启发,BRAIN打算协助研究人员揭开脑部疾病的神秘面纱,例如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、抑郁症和创伤性脑伤 (TBI)。

BRAIN的参与者及该计划的成员包括DARPA和IARPA,以及众多美国、澳大利亚、加拿大和丹麦的私人公司、大学和其他组织。

把生命变透明的技术:CLARITY

把动物身体或器官变得晶莹剔透,展现其中全部的复杂性,这便是一种名为CLARITY的“透明解剖术”取得的巨大成就。

器官的轮廓变得模糊不清,身体一点点变得半透明……这是一种通过透明化进行尸体剖验的方法。

这些图像非常激动人心,而这一技术创举亦是如此。斯坦福大学开发的这种名为CLARITY的透明化成像技术,可令身体任何部位在经过一番化学处理后变得可以透视。

IIT的意识科学理论

IIT理论是由G.托诺尼(G. Tononi)领衔的团队发展出来的用”整体信息”(integrated information)来解释意识及其现象特质的理论,这一理论尝试在”内部视角”下看待信息,并在以”整体信息”为意识的本体的基础上,定性定量地刻画意识的量值和其中的现象层面的特征

Expansion microscopy:超分辨率显微镜的转折

Expansion microscopy是超分辨率显微镜的一个转折。使用一种通常在婴儿尿布中可以找到的材料使生物组织膨胀。超高分辨显微镜通过使用荧光分子绑定蛋白,更好的定位分子的发光来源。利用这种技术,科学家可以区别出距离近达20纳米的物体。不过这项技术需要昂贵的、专业的设备,但可以解决一些厚结构的研究难题,比如大脑或肿瘤。神经科学家们一直想收集大脑更多的分子细节,比如神经突触中蛋白的位置、两个神经传递信息处的连接、甚至环绕大脑的一组神经元。

日本Brain/MINDS计划

 日本在2014年6月启动了其国家脑计划Brain/MINDS(Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies)。该计划将在10年内受到日本文部科学省以及日本医疗研究开发机构总计400亿日元(约合3.7亿美元)的资助。日本脑研究计划第一年将投入30亿日元(约2700万美元),以后逐年增加。日本的大脑研究计划使用狨猴为动物模型,这可以弥补啮齿类动物研究所带来的缺陷,尤其是在疾病研究领域。狨猴的行为和人类非常接近,是研究帕金森和阿兹海默症等人类疾病最理想的模型。通过研究狨猴的社会交往能力,如眼神交流能力、家庭化生活等方面,也有助于理解人类大脑相似功能的形成机理。

Brain/MINDS计划主要由日本47家研究单位的65个实验室组成,同时还包括数个合作国家。日本脑计划的核心任务是狨猴大脑的研究,从微观的基因分子水平到宏观的脑电观测。由于狨猴大脑更像人类而且结构紧凑,这有助于科研工作者更好的认识人类大脑。同时狨猴可以通过基因修饰模拟脑部疾病,这对精神类及神经类疾病的诊断和治疗带来帮助。Brain/MINDS计划主要分为三个研究小组:庆应大学Hideyuki Okano项目组、理研脑科学研究所Atsushi Miyawaki博士项目组、东京大学Kiyoto Kasai博士项目组。

“开放蠕虫”(openworm)

开放蠕虫(OpenWorm)是一项旨在从细胞层面在电脑上模拟秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的国际性开放科学项目。 尽管该项目的长远目标是模拟整个秀丽隐杆线虫的全部959个细胞,第一阶段的计划是建立包含302个神经元和95个肌肉细胞的模型来模拟蠕虫运动。这种自底向上的模拟是开放蠕虫社区追求的目标。目前,此项目的物理引擎Sibernetic已经建好,神经连接组和肌肉细胞也已创建为NeuroML格式。整个蠕虫的三维解剖模型可以通过浏览器自由查看。开放蠕虫项目也参与了“Geppetto模拟框架”的开发,这是一个为开发有机体的整体建模而创设的多重算法、多尺度的模拟平台。

TrueNorth:IBM的百万神经元类人脑芯片

因为自2008年以来,美国国防部研究机构DARPA给了IBM 5300万美元。TrueNorth是IBM参与DARPA的研究项目SyNapse的最新成果。SyNapse全称是Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics(自适应可塑可伸缩电子神经系统,而SyNapse正好是突触的意思),其终极目标是开发出打破冯•诺依曼体系的硬件。

邮票大小、重量只有几克,但却集成了54亿个硅晶体管,内置了4096个内核,100万个“神经元”、2.56亿个“突触”,能力相当于一台超级计算机,功耗却只有65毫瓦。 这就是IBM公布的最新仿人脑芯片:TrueNorth。

人脑计划,Human Brain Project 简称HBP

人脑计划(英语:Human Brain Project,HBP)是一项为期十年的大型科学研究计划,在百亿亿级超级电脑的基础上,目标在于建立一个基于资通讯技术的协作性科学研究基础建设,使整个欧洲的研究人员能够增进在神经科学、计算机技术及大脑相关医学等领域的知识。

HBP方法是基于在不同时空尺度上对大脑进行研究(空间尺度即从分子到隐含在高级认知过程背后的大型网络,时间尺度即从数毫秒到数年)。为了实现这一目标,HBP依靠来自不同学科(包括神经科学,哲学和计算机科学)的科学家合作,充分利用实验数据、理论建模和实验模拟的循环,将经验结果作为理论发展的基础,接着促进建模和模拟,从而得出预测,再回头验证经验结果。

HBP的首要目标是为脑部研究、认知神经科学和脑启发运算创建基于资通讯(ICT-based)的研究基础设施,世界各地的研究人员均可使用。

Neural lace

Charles Lieber教授提出了“neural lace”这一概念,这种可以注入大脑的金属网,对埃隆·马斯克的脑机接口公司Neuralink是一种启发。

Charles Lieber教授长期从事原子力显微镜、隧道扫描电镜、高温超导材料、纳米电子学、纳米材料的研究,是目前国际上最权威、最活跃、最著名、年轻有为的纳米科学家和材料学家之一,对国际纳米科技的发展做出了重大贡献,在国际上享有盛誉,具有极高的造诣。

Lieber在Nature、Science等国际顶尖期刊上已发表论文400余篇,在纳米科学技术领域的研究工作在国际上有着重要的开拓和领军作用。 在2000年至2010年之间,他被评为世界上被引用次数最多的化学家。

Lieber的工作范围从寻找生产纳米级材料的新方法到研究纳米电子传感器以及开发将纳米电子器件集成到合成组织中的“半机器人组织”(cyborg tissue)。哈佛大学Lieber研究小组在其网站上表示,其工作旨在“打破生物学和医学领域的科学界限”。

延展显微镜成像技术

传统光学显微镜由于光学衍射极限的限制,其分辨率不足,难以观察亚细胞显微结构。自超分辨显微技术提出以来,在细胞膜蛋白等单分子成像中得到广泛运用,并于2014年获得诺贝尔化学奖。但这些超分辨技术多通过减少或避免处在激发体积内的分子同时发射荧光来突破光学衍射。作为一种新型超分辨手段,延展显微镜具有成像时间短、可标记密集生物大分子等优势。2015年,Chen等[13]提出了延展显微镜(Expansion microscopy,ExM),可有效提高时间分辨率和空间分辨率。ExM是依托凝胶吸水膨胀将生物样品中衍射极限内的荧光分子距离增大的一种新型超分辨荧光显微技术,其分辨率至少可达到70 nm。

“神经尘埃”可以使神经系统适应

加州大学伯克利分校(University of California,Berkeley)的一个团队,由神经学家何塞·卡尔梅纳(Jose Carmena)、电气和计算机工程师米歇尔·马哈比兹(Michel Maharbiz)领导,首次展示了研究人员所谓的“超声波神经尘埃”来监测活动物的神经活动他们记录了麻醉大鼠坐骨神经和腿部肌肉对电刺激其足部的反应。“我的实验室一直在研究生物学和人造事物之间的界限,”Maharbiz说。“我们制造小玩意,把合成的东西和生物的东西连接起来。”

该系统使用超声波进行无线通信和设备的电源,消除电线和电池。它由一个外部收发信机和团队所称的“尘埃块”组成,大小约为0.8x1x3毫米,植入人体内。收发器向植入体中的压电晶体发送超声波脉冲,压电晶体将其转换为电能以提供电能。植入体通过电极记录大鼠体内的电信号,并利用这个信号改变晶体的振动。这些振动被反射回收发信机,允许记录信号-一种被称为后向散射的技术。“这是第一次有人使用超声波作为一种方法,与极小的植入系统供电和通信,”论文的作者之一,东进西奥说。这为人体遥测开辟了许多应用领域:能够将超微小的、超深的东西放置在人体内,你可以把它停在神经、器官、肌肉或胃肠道旁,并无线读出数据。该团队还计划开发能够刺激和监测神经的植入物,从而实现神经系统活动的闭环控制。这在新兴的生物电医学领域有着潜在的应用,它有望提供一种全新的治疗方法,称为电疗法。

中国脑计划:从基础神经科学到脑启发计算

中国脑计划(The China Brain Project)涵盖了对神经机制的基础研究和对脑疾病的诊断干预以及对脑启发智能技术的转化型研究。

在过去的几年中,全球各地的人们都意识到了对大脑进行研究的重要性,例如欧洲、美国和日本都启动了对大脑进行研究的项目。中国科学家在由中国科学技术部和自然科学基金会组织举办的许多战略会议上进行了讨论,最终达成了一个共识,即:神经科学的一个普遍目标——理解人类认知的神经基础——应该成为「中国脑计划(China Brain Project)」的核心。此外,中国也应该投入她的资源和研究能力,以满足迫切的社会需求。由主要脑疾病造成的社会压力逐渐上升,所以现在迫切需要一种预防、诊断和治疗脑疾病的新方法。在大数据的新时代,受大脑启发而得的计算方法和系统对于实现更强的人工智能和更好地利用越来越多的信息至关重要。正是由于对这些问题的考虑,中国脑计划项目提出了「一体两翼」战略。其中对基本神经回路机制的认知的基础研究提供了输入并且接受来自脑疾病的诊断/干预和脑启发智能技术(两翼)的反馈。

中国科学院神经科学研究所、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、香港科技大学生命科学部和分子神经科学国家重点实验室、中国科学院自动化研究所在 Cell Neuron 上联合发表了一篇概述论文《China Brain Project: Basic Neuroscience, Brain Diseases, and Brain-Inspired Computing》,介绍了「中国脑计划」在基础神经科学、脑疾病和脑启发计算上的研究进展。

脊髓损伤体感皮层刺激术

脊髓损伤是一种较为严重的神经损伤疾病,该病常会导致创伤部位组织的感觉和运动功能部分或完全丧失,对患者的日常生活造成严重的影响。一项来自瑞士、德国、意大利、法国、中国、英国和美国的联合研究团队开发的一种无线大脑接口——它可以通过再现来自大脑的信号记录刺激腿部的电极,使脊髓损伤的猕猴能够行走。这项研究为脊髓损伤的临床研究开辟了新的道路,并为瘫痪患者提供了生物电治疗方案。

布莱恩·约翰逊向Kernel 投资1亿美元用于探究人类大脑的力量

前Braintree创始人布莱恩·约翰逊(Bryan Johnson)公开宣布他将创建Kernel公司,该公司唯一目标是构建相应硬件和软件来提高人类智能。基于这一理念,约翰逊投入了1亿美元的个人资金,他希望可以快速扩大团队规模、支持一个知识产权组合以及在准备在即将到来的设备上进行动物和人体试验,该试验旨在修复阿尔茨海默病和痴呆等患者的认知缺陷。

Kernel 仍处于规划阶段,但这一想法源于公司首席科学官西奥多·伯格(Theodore Berger)的研究。约翰逊说,这种未来派设备可能根本不需要植入颅骨下面,这种设备旨在通过操作“神经代码”来促进细胞间通信,帮助大脑存储以及回忆关键信息。适当实现的话,这种设备将可以校正错误信号以修复认知缺陷。

未来科技

2016年7月,人工智能学家AIE实验室基于自身的研究成果和所拥有的顶级科学家资源,筹备建立未来科技学院 (Futurology University)。

未来科技学院的使命和目标:将邀请国内和国际著名科学家、科技企业家讲授人工智能、互联网、脑科学、虚拟现实、机器人等领域的基本原理和未来发展趋势。未来科技学院的目标是研究前沿科技未来发展趋势,培养掌握未来科技动向的企业家和具有独立创新精神的未来科学家。

埃隆-马斯克推出NeuraLink

2016年6月,马斯克曾经探讨过一个科幻小说概念“neural lace”,即人脑与机器交互。2017年4月,Wait But Why报道了伊隆·马斯克计划公司短期内研发治疗严重脑部疾病的设备,并达到人类增强目的。

2019年7月17日,Neuralink对外宣布该公司研发的一款脑机接口系统。

马斯克希望在2020年底之前开始对人类患者进行试验。马斯克表示,人类面临被人工智能机器超越的风险,但如果人脑能通过与电脑连接得到增强,“我们就能够加入这一旅程”。他表示,该公司已开始在老鼠身上进行测试,并与加州大学戴维斯分校合作用猴子实验。“有一只猴子能用其大脑控制电脑。”。Neuralink 的总裁霍达克 (Max Hodak) 表示,该公司将争取 FDA 的批准,最早于2020年开始人体临床试验。

2020年8月29日,Neuralink展示了一头被植入Neuralink设备的猪,Neuralink设备成功读取猪大脑活动。

Facebook脑机接口计划

Facebook正在努力开发一个大脑-电脑界面,将允许用户只靠思想而不需要语言就能进行交流互动。该技术最终的目的在于允许用户的想法不受时间或距离的束缚,并且只靠思想来完成各种目的。

该产品希望创造出“社会性”的“定义产品”,形成更多的人际关系的产品,最终将互联网的数字世界与物质世界和人类思想联系起来。

前DARPA执行官Dugan说,大脑每秒产生约1TB的信息容量,然而,通过语音,我们只能以每秒100字节的速度向他人发送信息。 Facebook希望将发送到我们的讲话中心的所有信息从“大脑”中移出并进入世界(允许我们随意将其发送给其他人)。

DARPA资助研究开发改进的脑机接口

美国DARPA机构向6家公司提供了总额为6500万美元的资金,该项资助的接受者包括5个学术实验室和一家名为Paradromics公司的小公司。DARPA的这一计划的目标是开发一个双向脑机接口(BCI),它可以一次记录和刺激多达100万个脑机接口。

从四维宇宙到11维结构,用拓扑视角带你看大脑的奥秘

早在2017年发表在《计算神经科学前沿》杂志上的研究中,神经科学家就以一种全新的方式,通过数学的一个经典分支来研究我们的大脑结构。研究发现,我们的大脑中充满了多维几何结构,可以在多达11个维度里运作。

因为我们习惯于从三维的角度来思考世界,所以科学家所提出的11个维度在我们正常人听来会略显晦涩和棘手。但是这项研究的结果可能会成为我们理解人体最复杂结构——人脑结构的里程碑式成果。

瑞士一支研究团队致力于通过超级计算机重建人脑,并制作出了人类大脑模型,该项目名为“蓝脑计划”(the Blue Brain Project)。科学家使用代数拓扑(algebraic topology)来描述物体和空间的性质(忽略了物质形状的变化)。实验发现,神经元群会连接成“小团体”,而每一小团体中神经元的数量将会直接导致高维几何对象(一个数学维度概念,而不是时空概念)的大小。

该项目的首席研究员兼瑞士EPFL(瑞士洛桑邦理工学院)研究所的神经学家Henry Markram曾表示:“我们发现了一个我们从未想象过的世界!即使是大脑中的一个小斑点里,甚至存在着高达7维的空间,里面有数千万个这样的物体。而在一些神经元网络中,我们甚至发现了高达11维的结构!”

我们的宇宙是由已知的三个空间维度和一个时间维度构成,但人类大脑中的世界远非如此简单。研究人员曾在论文中解释称,通过观察神经元群来确定它们之间的联系十分重要,神经元群连接成“小团体”经常被划分为一组相互连接的节点来进行分析,一组节点中神经元的数量决定了它的大小,或者更正式地说——是决定了它的维度。

据估计,人类大脑中拥有惊人的860亿个神经元,而每个神经元细胞都存在多个连接,向各个可能的方向延伸从而形成一个巨大的神经细胞网络,从而令人体能够拥有思考和意识的能力。但也正因为有那么多的连接体,所以我们至今对大脑神经网络的运作模式没有一个全面、正确的认识。不过,此次研究所建立的数学模型框架将上述问题进行了大大的简化。为了进行数学测试,蓝脑项目团队创建并发布了一个更为详细的新皮质(neocortex)模型。

新皮质是我们大脑中最晚进化的部分,参与了人脑的很多高级功能,如认知、感觉和知觉等。在创建该新皮质数学框架并进行部分虚拟刺激的测试后,研究小组还在大鼠的真实脑组织上证实了他们的实验结果。科学家表示,无论是在单个神经元水平上的近距离微缩探测,还是在整个大脑结构的宏观尺度上观察,代数拓扑结构都是用以识别神经网络细节的绝佳数学工具。

华中科大 开启“脑空间信息计划”,连接脑科学与类脑人工智能 

华中科技大学(苏州)脑空间信息技术研究院旨在使工业级高分辨率脑图成为神经科学的标准工具。这一项目由华中科技大学生物医学成像研究者骆清铭领导。骆清铭自称为一个“脑空间信息学家”,并建立了该研究院的高速脑成像系统。骆清铭表示,研究院还将绘制人类脑图,并计划成为一个国际性研究中心,帮助研究人员绘制神经元连接图谱,其应用领域包括阿尔茨海默病研究和受大脑启发的人工智能项目等。

为了绘制“千回百转”的大脑神经元回路,神经科学家们可谓煞费苦心,不过很快他们将看到本领域发展至工业级规模。

典型的实验室可能只使用一套或两套脑成像系统,而这一新设施拥有50台自动化机器,可以快速切割小鼠大脑,捕捉每个切片的高分辨率图像,并将其重构成3D图像。美国艾伦脑科学研究所的分子生物学专家曾红葵认为这样的工业级设施将“大大加快进度”。她说:“工业级大规模、标准化数据生成将改变神经科学的发展方式。”

近十年以来神经工程学的全球研究亮点

这张重构图像显示了长程神经元横穿小鼠大脑的情况。

这一新设施名为华中科技大学(苏州)脑空间信息技术研究院,由华中科技大学生物医学成像研究者骆清铭领导。该研究院拥有长达5年、高达人民币4.5亿元的预算,未来将聘用120名左右的科学家和技术人员。骆清铭表示,研究院还将绘制人类脑图,并计划成为一个国际性研究中心,帮助研究人员绘制神经元连接图谱,其应用领域包括阿尔茨海默病研究和受大脑启发的人工智能项目等。骆清铭自称为一个“脑空间信息学家”,并建立了该研究院的高速脑成像系统。

膜片钳机器人

今天依然流行的另一项几十年的神经科学技术是膜片钳(patch clamping)。它是在20世纪70年代末和20世纪80年代初开发的,可以检测单个细胞,甚至是单个离子通道的电势变化。用一个小小的玻璃吸管吸细胞的细胞膜,研究人员可以做出一个小的撕裂,用吸管尖端密封,并检测细胞内的电压变化。随着一些改进——如电生理学和EEG,膜片钳一直是科学家的工具包的一部分。研究人员希望用一台机器人来执行过程。

为了不断探索大脑的神经网络,科学家们开发了一种新的技术来观察大脑的结构。例如,麻省理工大学的神经生物学家Ed Boyden和他的同事们介绍了扩展显微镜,它能使脑组织样本扩大到体积的100倍,同时保留其原有的分子排列。在加入鲜艳的色彩探针之后,这个团队影响了小鼠海马体的细胞和突触(Science,347:543-48,2015)。Boyden说,了解大脑的解剖,将更有助于揭示它是如何运作的。

上转换纳米颗粒助力大脑深部刺激

神经学家们在研究大脑深部结构时,光无法穿透到大脑深部。这对光遗传学而言更是个问题,因为这种技术主要通过光操纵遗传标记的大脑细胞,在过去数十年间越来越流行。“光遗传学是实验室控制神经元的突破性工具,将来也有可能运用于临床。”日本理化研究所(RIKEN)脑科学研究所研究组长Thomas McHugh说道。“不幸的是,现在向大脑导入光需要侵入性光学纤维。”

McHugh及其同事现在找到了将光非侵入性导入到脑深处的新方法。他们使用上转换纳米颗粒(UCNPs)将激光导入到了头盖骨深处。这种纳米颗粒可以在传统光遗传学无法达到的深度吸收近红外光并将它们转变为可见光。这种方法被用于激活大脑不同区域的神经元、沉默癫痫及激活记忆细胞。

放获取的小鼠大脑地图集CUBIC-Atlas

现有的大多数大脑透明化技术都无法使组织变得完全透明,因此很难以单细胞分辨率构建大脑图像。东京大学的Ueda及其同事在筛选了将近1,700种化学物质后,开发出一种名为CUBIC-X的方法,不仅可让脑组织变得透明,而且还能膨胀数倍。

研究人员创建了开放获取的小鼠大脑地图集CUBIC-Atlas。用户可将其数据与这个地图集进行比较,评估大脑透明化处理的重复性。CUBIC-X试剂现已上市(Tokyo Chemical Industry),25 mL的售价为50美元,足够处理一只小鼠的大脑。

精确神经元光遗传学操作

3D Shot将全息图投射到大脑中以重现感觉,NicolasPégard开发出“脑全息调制器”,一种称为3D-SHOT的光遗传系统。挑战是在发光全息图的帮助下,像灯塔一样,通过照亮皮质表面来刺激大脑中的体验,该全息图以3D方式复制您想要复制的神经通路。

该技术潜力令人难以置信,优点是你可以精确地控制神经元。尤其是在医疗领域:刺激盲人的视力和聋人的听力,使周围神经受损的人重获新生,并更好地控制机器人肢体。

读写神经通路有点像用语言和大脑说话,并使它更好地解释信息。 这将有一天使我们开发出可以增强我们的感官或增加新感官的技术。

果蝇完整大脑高清图可借此追踪任何两个神经元之间的连接

科学家首次对黑腹果蝇的整个大脑进行了足够详细的成像,从而能探测每个神经元之间的单独连接,或者说突触。由此获得的图像数据库可帮助研究人员描绘支撑果蝇嗅闻、嗡嗡叫、空中飞行等各种行为的神经回路

可以说,这个数据集及其创造的研究机会是神经生物学领域最近发生的最重要的事情之一。世界上任何对此感兴趣的人都可以下载这个数据集并且查明任何两个神经元之间是如何‘对话’的。

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