2023-06-21 19:51:00 來源 : 北京科協(xié)
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，小鳥如何學(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公眾開展了系列科普教育活動。本期首都科學(xué)講堂，中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院教授程和平走進(jìn)大興一中，為現(xiàn)場的青少年和線上的公眾解讀創(chuàng)新如何引領(lǐng)我國科學(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)場分享了他在高中讀書時的感悟，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。這讓他意識到世界的美其實在于人類大腦產(chǎn)生的智慧之美。
腦科學(xué)家們常用浩瀚無垠的宇宙來形容大腦的復(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)場介紹了人腦其實包含百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(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態(tài)圖譜的研究工具是各國腦科學(xué)計劃的核心方向之一。
腦科學(xué)研究主要包括“讀、釋、寫、仿”四個方面，是一門高度交叉的新興前沿學(xué)科?！白x”是獲取大腦信號處理過程中的動態(tài)變化，即“讀取”腦信號。“釋”是在獲取海量數(shù)據(jù)后，解碼腦信號。有時候光靠人腦和數(shù)據(jù)分析技術(shù)是不夠的，這時就需要借助深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等類腦人工智能技術(shù)，反過來幫助解讀腦信號。
“如何才能創(chuàng)造出一種顯微鏡，能夠在小動物自由活動的條件下，‘讀取’一個個神經(jīng)元一閃一閃的動態(tài)變化？”曾幾何時，這是程和平心底的一個夢想。
在這個夢想的驅(qū)動下，程和平帶領(lǐng)項目組攻克多項顯微鏡小型化技術(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，率先在世界上實現(xiàn)了動物自由行為條件下觀測大腦神經(jīng)元和突觸的活動?！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，終有一天，一小段關(guān)于大腦的高清“視頻”就可以說明，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，生命科學(xué)需要“利器”
程和平介紹，作為一門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，未來的世紀(jì)，更可能會被稱為“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)研究離不開科技“利器”，程和平的主要工作是研發(fā)觀測裝備，搭建新型平臺，并通過平臺探索腦科學(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)隊近年的累累碩果。
2017年，團(tuán)隊實現(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，成為可被自由活動的小鼠戴在頭上的觀測利器，獲取了小鼠在自由行為過程中大腦皮層神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的動態(tài)圖像，入選“2017年中國科學(xué)十大進(jìn)展”。
2021年，團(tuán)隊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神經(jīng)元功能信號的三維成像能力。
2023年2月，團(tuán)隊進(jìn)一步研發(fā)出一款重量僅為2.17克的微型化三光子顯微鏡，能夠直接透過小鼠的大腦皮層和胼胝體，首次實現(xiàn)對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)制開啟了新的研究范式，成果發(fā)表在《自然-方法》上。
為滿足國家載人航天及空間腦科學(xué)研究的需求，程和平團(tuán)隊自主研制空間站雙光子顯微鏡，并于2023年2月對其進(jìn)行了在軌驗證實驗并取得成功。此次實驗實現(xiàn)了多項“第一”，包括世界上首次實現(xiàn)雙光子顯微鏡在軌正常運(yùn)行；國內(nèi)首次實現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運(yùn)行；國際上首次在軌觀測航天員細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息，該成果為未來利用中國空間站平臺開展腦科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)手段。
03
青少年要保持好奇心，提高動手動腦能力
“腦科學(xué)家平時都在關(guān)心哪些問題？”“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，會應(yīng)用在哪些領(lǐng)域?對我們?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)森實驗班的青少年們展開了互動，回答了他們提出的各種疑問。
程院士鼓勵青少年們要始終保持好奇心，提高動手動腦的能力。同時，他也當(dāng)場向所有觀眾征集在太空站上能實現(xiàn)的腦科學(xué)實驗，激勵所有人都參與進(jìn)來，享受到科學(xué)帶來的樂趣。
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，北京科技報社協(xié)辦。2023年，首都科學(xué)講堂將繼續(xù)采取定點演講和流動演講相結(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、科技企業(yè)、科普場館等開展活動，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)國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)。
來源：北京科學(xué)中心
