首都科學(xué)講堂丨打造探索未知世界的科研“利器”——記第804期《科技鑄器：窺探大腦深處的奧秘》

給辛勤工作中的大腦神經(jīng)元拍“視頻”，不但能知道小鼠如何做夢(mèng)，小鳥(niǎo)如何學(xué)習(xí)唱歌，醫(yī)生還可以據(jù)此探尋腦疾病的致病原因，藥企可以有針對(duì)性地研發(fā)新藥。腦科學(xué)的秘密都有哪些？給大腦拍攝的“視頻”到底能有多“高清”？

【資料圖】

這個(gè)六月，首都科學(xué)講堂圍繞“興趣與探索”主題，面向廣大青少年及社會(huì)公眾開(kāi)展了系列科普教育活動(dòng)。本期首都科學(xué)講堂，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院教授程和平走進(jìn)大興一中，為現(xiàn)場(chǎng)的青少年和線上的公眾解讀創(chuàng)新如何引領(lǐng)我國(guó)科學(xué)基礎(chǔ)研究事業(yè)的發(fā)展，帶領(lǐng)我們領(lǐng)略人類大腦深處的奧秘。

01

興趣為槳，探索腦宇宙的更深處

程和平在講座現(xiàn)場(chǎng)分享了他在高中讀書(shū)時(shí)的感悟，恩格斯的一句話曾給他留下了極為深刻的印象：地球上最美的花朵就是思維著的精神。這讓他意識(shí)到世界的美其實(shí)在于人類大腦產(chǎn)生的智慧之美。

腦科學(xué)家們常用浩瀚無(wú)垠的宇宙來(lái)形容大腦的復(fù)雜，人類的大腦也因此被稱為“三磅宇宙”(3磅約等于1.36千克，接近成年人腦的重量)。

程院士現(xiàn)場(chǎng)介紹了人腦其實(shí)包含百億級(jí)神經(jīng)元和百萬(wàn)億級(jí)的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上極其復(fù)雜精密的連接和相互作用，是意識(shí)和思想涌現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而研制用于解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具是各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃的核心方向之一。

腦科學(xué)研究主要包括“讀、釋、寫(xiě)、仿”四個(gè)方面，是一門(mén)高度交叉的新興前沿學(xué)科。“讀”是獲取大腦信號(hào)處理過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，即“讀取”腦信號(hào)?！搬尅笔窃讷@取海量數(shù)據(jù)后，解碼腦信號(hào)。有時(shí)候光靠人腦和數(shù)據(jù)分析技術(shù)是不夠的，這時(shí)就需要借助深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等類腦人工智能技術(shù)，反過(guò)來(lái)幫助解讀腦信號(hào)。

“如何才能創(chuàng)造出一種顯微鏡，能夠在小動(dòng)物自由活動(dòng)的條件下，‘讀取’一個(gè)個(gè)神經(jīng)元一閃一閃的動(dòng)態(tài)變化？”曾幾何時(shí)，這是程和平心底的一個(gè)夢(mèng)想。

在這個(gè)夢(mèng)想的驅(qū)動(dòng)下，程和平帶領(lǐng)項(xiàng)目組攻克多項(xiàng)顯微鏡小型化技術(shù)難題，成功使用科技鑄成的“利器”，支撐國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，探索腦宇宙中更深處的美麗“風(fēng)景”。

通過(guò)科研利器，可以讀取小白鼠深部腦區(qū)神經(jīng)元的變化，率先在世界上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物自由行為條件下觀測(cè)大腦神經(jīng)元和突觸的活動(dòng)?！斑@為研究人類大腦秘密打下了更好的基礎(chǔ)?！背毯推浇榻B說(shuō)，終有一天，一小段關(guān)于大腦的高清“視頻”就可以說(shuō)明，我們兩耳之間的奧妙之處都發(fā)生了什么，從中找到治愈腦部疾病的答案。

02

“腦科學(xué)的世紀(jì)”已到來(lái)，生命科學(xué)需要“利器”

程和平介紹，作為一門(mén)高度交叉的新興前沿學(xué)科，腦科學(xué)研究剛剛起步，更大的成果還有待科學(xué)家去探索，未來(lái)的世紀(jì)，更可能會(huì)被稱為“腦科學(xué)的世紀(jì)”。

“工欲善其事，必先利其器”，前沿的腦科學(xué)研究離不開(kāi)科技“利器”，程和平的主要工作是研發(fā)觀測(cè)裝備，搭建新型平臺(tái)，并通過(guò)平臺(tái)探索腦科學(xué)等復(fù)雜科學(xué)的研究范式。

在講座中，程和平也分享了團(tuán)隊(duì)近年的累累碩果。

2017年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了雙光子顯微鏡核心部件的微型化——原本幾百公斤的儀器縮減為幾十公斤的組合體，核心部件縮減至2.2克，成為可被自由活動(dòng)的小鼠戴在頭上的觀測(cè)利器，獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像，入選“2017年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。

2021年，團(tuán)隊(duì)研制的第二代微型化雙光子顯微鏡又將成像視野擴(kuò)大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個(gè)神經(jīng)元功能信號(hào)的三維成像能力。

2023年2月，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)出一款重量?jī)H為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能夠直接透過(guò)小鼠的大腦皮層和胼胝體，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)自由行為中小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像，為揭示大腦深部結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)機(jī)制開(kāi)啟了新的研究范式，成果發(fā)表在《自然-方法》上。

為滿足國(guó)家載人航天及空間腦科學(xué)研究的需求，程和平團(tuán)隊(duì)自主研制空間站雙光子顯微鏡，并于2023年2月對(duì)其進(jìn)行了在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)并取得成功。此次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)“第一”，包括世界上首次實(shí)現(xiàn)雙光子顯微鏡在軌正常運(yùn)行；國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運(yùn)行；國(guó)際上首次在軌觀測(cè)航天員細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息，該成果為未來(lái)利用中國(guó)空間站平臺(tái)開(kāi)展腦科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)手段。

03

青少年要保持好奇心，提高動(dòng)手動(dòng)腦能力

“腦科學(xué)家平時(shí)都在關(guān)心哪些問(wèn)題？”“懷柔科學(xué)城‘多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施’建成后，會(huì)應(yīng)用在哪些領(lǐng)域?對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钣惺裁从绊憜?”……講座結(jié)束后，程院士還和大興一中錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)班的青少年們展開(kāi)了互動(dòng)，回答了他們提出的各種疑問(wèn)。

程院士鼓勵(lì)青少年們要始終保持好奇心，提高動(dòng)手動(dòng)腦的能力。同時(shí)，他也當(dāng)場(chǎng)向所有觀眾征集在太空站上能實(shí)現(xiàn)的腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)所有人都參與進(jìn)來(lái)，享受到科學(xué)帶來(lái)的樂(lè)趣。

首都科學(xué)講堂由北京市科協(xié)主辦，北京科學(xué)中心承辦，北京科技報(bào)社協(xié)辦。2023年，首都科學(xué)講堂將繼續(xù)采取定點(diǎn)演講和流動(dòng)演講相結(jié)合方式，以北京科學(xué)中心為主陣地，廣泛協(xié)同中小學(xué)校、高校、科研院所、學(xué)協(xié)會(huì)、科技企業(yè)、科普?qǐng)鲳^等開(kāi)展活動(dòng)，以科普高質(zhì)量發(fā)展更好地服務(wù)全民科學(xué)素質(zhì)提升，服務(wù)國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)。

來(lái)源：北京科學(xué)中心