杜九林，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员。
没有人是一座孤岛。细胞也是如此。神经元或神经细胞更是如此。
杜九林的办公室在一排实验室的中间。穿过长长的走廊，来到了他的办公室。电脑屏幕上闪现出一幅复杂而奇妙的画面——点缀着紫色、蓝色、红色的光点，一条条荧光短线交织在一起，相互连接，然后分开树枝，指向远方。
这就是他和他的团队成员正在努力解开的神秘“宇宙”——大脑。中国科学院脑科学与智能技术卓越中心研究员。
视觉中国 资料图
杜九林表示，这是人类遇到的最复杂、最神秘的系统。 “我们现在的大脑是数亿年生物进化的产物。”它的功率很小，只有几十瓦。但它的功能非常强大，是目前最先进的新型人工智能无法比拟的。它是如何形成的，其运作规则是什么？为什么会引起疾病呢？这些秘密仍然隐约可见，距离答案揭晓还有很长的路要走。如今人工智能蓬勃发展，破译大脑的重要性更加凸显，这可以激发新的人工智能架构和算法的开发。
起初，他们从视觉和行为入手，试图一睹大脑的“算法”。
杜九林、穆宇、李颖、姚媛媛、张白冰完成的“视觉信息处理与行为发生的神经机制”项目荣获2020年度上海市自然科学技术奖一等奖。该项目以斑马鱼为脊椎动物模型，研究视觉活动从视网膜到大脑的反应和作用，揭示这一过程中神经调节系统的机制，并阐明其结构连接体，这对于理解其工作原理是一个重要进展。大脑的原理。影响。
现在他们采用新的研究方法和系统，“既见森林又见树，甚至见树叶”，开始分析整个大脑。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杜九林课题组。
“我们都是带电体”
“人们本来就说朋友（爱情）打电话‘打电话’，其实是有道理的。大脑中所有的信号处理都是通过电来完成的。本质上，所有的信息流都是电信号的信息流。”杜九霖说道。
他进一步解释说，外界的许多信号和感官刺激大多不是以电的形式，而是以其他物理形式，如光、机械力、化学分子等。神经系统已经进化出可以将各种物理能量转化为电信号的细胞。大脑是一个处理“电”的复杂系统，然后利用电信号最终控制肌肉细胞的收缩和松弛，控制人的行为、心理和生理活动。 “所以，本质上，我们都是与电信号相互作用的带电体。”
人们如何看待物体？
过程有点复杂。
神经元是传输信息的“高速公路”或“电缆”。在大脑中，信息传递的过程涉及火花和闪电，以及化学物质的产生和消耗，例如血清素、乙酰胆碱等。甚至“信息”也是有形状的——不同的信息会带来不同的空间。大脑区域。不同位置的不同神经元的电放电。
一束光线穿过物体表面，进入人眼，落在视网膜上。在这里，物理信号被转换为神经信号，例如电火花。这些电信号传输到大脑的视觉中枢，描述物体的轮廓、形状、颜色、速度等。
1967 年诺贝尔生理学或医学奖授予三位科学家 - 、 和 Wald，以表彰他们对眼睛主要生理和化学视觉过程的发现。
其中，哈佛大学生物学教授沃尔德揭示了视网膜的化学成分，特别是光下视紫红质（）的变化。
1981 年诺贝尔生理学或医学奖授予了 David H. Hubel 和 N。他们观察了不同形状和亮度的物体如何激活猫大脑皮层中的特定神经元，揭示了大脑视觉皮层如何分层处理视觉信息。
虽然我们瞬间完成了“看”的过程，但对于颜色或色温的感知是如何实现的，目前还不清楚。更复杂的是，光子本身没有颜色。不同颜色的光仅波长不同。就像具有不同气味的化学分子本身没有气味一样，但大脑却赋予它们数千种不同的气味。
0.1立方毫米的“宇宙”：从视觉和行为机制的角度出发和分析
“成年人的大脑中有接近1000亿（1011）个神经元，它们形成的连接总数约为一百万亿（1014）个，而且它们是有序的连接。银河系中的恒星数量是这也是千亿量级的，这就是大脑的外层宇宙，其实就是我们的内层宇宙。”杜九林说道。
面对如此复杂的“内部宇宙”，我们如何解读它的功能和工作原理呢？
他说，视觉实际上是研究大脑的一个窗口。
五万至六万条体长仅3至5厘米的小鱼组成了中国最大的斑马鱼研究平台之一，由杜九林研究团队管理。这也是全脑介观神经连接图谱（斑马鱼）的研究平台。
斑马鱼的早期胚胎是透明的，成鱼的身上布满了多条深蓝色的条纹，就像斑马一样，其基因与人类有87%的相似度。它被称为“水豚鼠”。作为模式动物，它为人类揭开许多生命科学奥秘的过程提供了帮助。
杜九林表示，人类接收到的信息约有80%来自视觉。在神经科学领域，视觉研究一直占据重要地位。 “研究斑马鱼让我意识到，0.1立方毫米的迷你大脑不可小觑，它可以撬动整个脑科学的发展。”
动物如何应对不同的感官刺激是生存的关键。以往的研究大多集中在“感觉系统”的信息处理上，比如视觉通路如何处理形状、颜色、运动等信息。然而，感觉系统处理信息并将其传输到大脑。大脑如何处理视觉刺激的行为意义，以及大脑如何根据这些意义调节行为，目前仍不清楚。
为了揭开这个谜团，杜九林团队以斑马鱼为研究对象，采用了一系列先进的神经生物学研究技术，包括活体电生理记录、光遗传学激活和钙成像。
作为视觉系统的第一站，视网膜信号处理长期以来被认为相对稳定，没有可塑性。然而，杜九林研究团队发现，视网膜突触传递具有依赖于神经活动的长期可塑性，从而动态调整视觉信号的处理，修正了传统观点。
此外，杜九林研究团队发现，大脑中的免疫细胞——小胶质细胞对中枢视觉神经元的视觉信号进行稳态调节。这一发现揭示了一种调节视觉信号的新方法。它被国际学术期刊（神经元）评为近年来该领域最具影响力的工作，被认为是揭示小胶质细胞生理功能的开创性工作。性工作。
光明或黑暗的偏好是动物的本能行为。杜九林研究小组发现，大脑左侧缰核通过接收双侧丘脑的输入，在光偏好行为中发挥着关键作用，揭示了脊椎动物介导光偏好行为的神经回路机制。
另外，大脑的缰核与人的情绪有关。杜九林表示，目前，临床研究人员根据相关研究，制定了利用特殊光照方法干预或治疗抑郁症患者的方案。
斑马鱼会出现逃避行为以应对危险的视觉刺激。他们的研究发现，对这种行为的控制是通过将视觉信息传递到逃生命令神经元来实现的。
研究进一步发现，当斑马鱼接受非危险视觉刺激时，多巴胺能神经元及其正向调节的抑制性神经元的电活动增加，阻断视觉信息的传递，从而使斑马鱼不会受到非危险刺激的影响。然后逃跑。当斑马鱼受到危险的视觉刺激时，这两个神经元的活动受到抑制，从而释放对视觉信息传递的抑制，斑马鱼会产生逃避反应。
由多巴胺能神经元和后脑甘氨酸能抑制神经元组成的功能模块相当于“交通指挥者”，帮助动物在复杂的环境中做出正确的行为选择——是逃跑还是留下。这表明神经调节系统可以通过感觉刺激进行调节，从而帮助动物产生相应的行为反应。
这项研究提高了我们对控制感觉运动信息转换的神经机制以及神经调节系统在行为选择中的作用的理解。
视力会影响听力吗？在大脑中，视觉信号与其他感觉信号之间的跨膜相互作用是动物感知复杂环境的基础。杜九林研究团队发现视觉信号通过激活下丘脑多巴胺神经元来调节听觉通路的信号编码和听觉行为的发生，阐明了视觉跨模态调节听觉功能的神经环路机制。
“既见森林又见树木，甚至见树叶”：从局部大脑区域转向全脑分析
杜九林高度重视科研思想技术体系的建设和发展。 “我们必须深思熟虑地工作。当我们每天投入工作时，需要保持深度思考；在研究中要逐步形成自己的研究体系，包括思想体系和实验体系”。
2006年1月1日，从美国留学回来的杜九林决定建立自己的研究体系。 “既见森林又见树（神经元），甚至见树叶”是他的体系和策略。其中，“森林”指的是整个大脑，“树木”指的是神经元，树叶指的是“突触”。
他认为最重要的视角，或者说思维方式，是我们需要站在漫长的生物进化的未来时间点上，以上帝的视角来回顾，重新审视、评估、思考我们所面临的问题。目前正在研究和解答中。 ，然后继续前进。
“目前神经科学的发展，客观地说，还处于了解局部脑区有限维度的阶段，某个脑区如何产生某种行为，哪些神经元产生哪些行为。” “相当于春秋战国时期。”杜九林说，“做斑马鱼，不仅仅是为了做斑马鱼。”
他希望通过对斑马鱼的研究来了解神经系统的架构、功能和底层“游戏规则”或算法。
人脑有近1000亿个神经元，而斑马鱼的大脑只有约10万个神经元。两者都是脊椎动物。
杜九林表示，脊椎动物大脑的结构和功能在多个层面上高度保守，包括基因、信号通路、神经元形态和功能、神经回路等。脑科学研究正处于历史的关键转折点，从关注大脑局部区域转向探索全脑范围内神经系统结构的设计原理和神经信息处理机制。从实验观察方法和数据分析方法来看，从宏观（脑区域分辨率）、细观（细胞分辨率）或微观（突触分辨率）层面，斑马鱼是目前唯一能够分析全脑尺度的。脊椎动物是了解大脑如何运作的模型。
荧光标记的斑马鱼大脑。荧光标记的斑马鱼大脑。 （绿色：神经细胞；红色/黄色：血管。）
透明或半透明的斑马鱼大脑，加工后切成薄片甚至更薄。然后在电子显微镜下拍照，读取神经元的连接，绘制出来，并进行人工校对。
这将是脊椎动物大脑中神经连接的第一张显微图。杜九林表示，谷歌等国际科技巨头也在争先恐后地争夺这个“第一”。
由于它是透明的，斑马鱼在全脑研究中具有独特的优势。 “对于很多动物的不透明大脑来说，目前的技术能够记录的神经元范围是有限的。但斑马鱼不同，在显微镜下，它大脑中的所有细胞都可以一览无遗。即使是10万个神经元，我们都可以记录下来。”看得见。”他说。
大约有 250 TB 的图像数据代表 0.1 立方毫米的斑马鱼大脑。而这只是大脑静态构建的数据。
当人们认识到斑马鱼在全脑研究中的优势时，许多技术尚未开发出来。他带领研究团队成员攻坚克难，开发了多种多学科技术。
“当我们刚开始做斑马鱼的时候，全世界只有十几家实验室在做斑马鱼神经系统功能的研究。我们一边做科研，一边开发新技术，然后推动自己的科学研究。同时，这一领域也将受益。”杜九霖说道。
如果我们知道发动机或发电机中的线圈是如何缠绕的，我们可以制造类似的设备吗？我们能否知道它的运行规律、模式，甚至“理念”？除非尝试，否则没有人知道答案。
“有了这些数据，我们就可以完整还原一个复杂系统，一个经过亿万年优化的能耗极低的智能系统——斑马鱼大脑，然后用复杂系统的科学理论方法分析它的结构“事实上，我们看到了10万个神经元的活动，相当于鱼的思维和四肢的运动，甚至连内脏器官的运动都包含在其中。”
神经科学研究领域面临的一个关键挑战是大数据的实时处理。他解释说，一粒米比斑马鱼的大脑大很多倍。通过光学成像，在斑马鱼大脑中获得的全脑神经活动的数据流量达到每秒500GB的量级，需要快速处理，然后反馈给控制器。分析的目标是，信息在这个复杂的系统中如何流动？哪些细胞产生或调节它？电信号从哪个大脑区域的哪个细胞接收，并发送到哪个大脑区域的哪个细胞。最终进行什么样的处理，控制什么样的动作等？
“当前神经科学研究主要分析网络的节点活动，而复杂系统则侧重于分析网络中的信息流。复杂系统产生的数据可以反映和提取系统的特征。未来，各种神经科学研究的发展“不同学科、不同系统都是一个具体的复杂系统，它们是大数据产生和应用的不同场景，或者说大数据是一个共同的抽象层面。”
杜九林透露，“我们最近突破了一个技术难点——全脑神经细胞活动大数据的实时处理，基于这项技术，我们实现了大数据的光学脑机接口”流；结合人工神经网络等技术，实现了脑神经网络与人工神经网络的交互，将目前神经科学家常用的开环实验范式升级为实时闭环研究的新范式，这将推动人工智能在神经科学研究中的应用（即），并且还将促进神经科学研究在人工智能发展中的作用（即）。”
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