大規(guī)模神經(jīng)元成像分析能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的閉環(huán)研究
中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心杜久麗課題組、穆宇課題組以及自動(dòng)化研究所郝杰課題組在《自然神經(jīng)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中,利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)天文學(xué)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列圖形處理單元 (FPGA-GPU) 混合架構(gòu),可對(duì)高達(dá) 500MB/s 的數(shù)據(jù)流執(zhí)行實(shí)時(shí)配準(zhǔn)、信號(hào)提取和分析。
他們首次實(shí)現(xiàn)了斑馬魚(yú)大腦中數(shù)十萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的實(shí)時(shí)分析,從而能夠解碼任意選擇的神經(jīng)元群的活動(dòng)以控制外部設(shè)備。
全腦神經(jīng)元活動(dòng)成像是破譯大腦原理的有力工具。然而,其龐大的數(shù)據(jù)處理需求已成為瓶頸,使得腦功能的實(shí)時(shí)分析和閉環(huán)研究面臨挑戰(zhàn)。
受天文學(xué)中快速射電爆發(fā)探測(cè)技術(shù)的啟發(fā),研究人員采用FX系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并利用FPGA編程的靈活性,建立了光學(xué)神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)。
該系統(tǒng)對(duì)來(lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)進(jìn)行正則化,并將其發(fā)送到基于GPU的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),以進(jìn)行高速非線(xiàn)性配準(zhǔn)、神經(jīng)信號(hào)提取和解碼,并獲得用于控制外部設(shè)備的反饋信號(hào)。
該系統(tǒng)通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)斑馬魚(yú)全腦神經(jīng)元的活動(dòng)來(lái)產(chǎn)生反饋信號(hào),反饋延遲小于70.5毫秒。
該系統(tǒng)的性能在三個(gè)閉環(huán)腦科學(xué)研究場(chǎng)景中得到了展示:鎖定任意選擇的神經(jīng)元群活動(dòng)的實(shí)時(shí)光遺傳學(xué)刺激、鎖定特定大腦功能狀態(tài)的實(shí)時(shí)視覺(jué)刺激以及直接驅(qū)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)。
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