DARPA神经技术项目新进展：光学显微技术实时观察执行任务中的大脑

DARPA神经技术项目新进展：

光学显微技术实时观察执行任务中的大脑 

来源：DARPA网站

编译：远望智库技术预警中心  谌为

小鼠大脑神经活动的双光子成像

由DARPA的神经功能、活动、结构和技术项目（Neuro-FAST）资助的斯坦福大学的研究人员开发了新的光学成像和分析技术，使其能够解密执行适应性决策任务的醒着的小鼠的神经活动。本项研究成果由斯坦福大学研究小组和加州理工学院研究小组合作所得，发表于本周的《神经元》杂志。这项研究成果让人们对哺乳动物大脑如何协调神经活动来完成志愿行为的理解更加深入，推动了DARPA建立相关知识库和工具包的目标，为理解大脑结构和功能提供了基础。

实验设计

为了理解小鼠在作出决策时大脑的神经活动，研究人员设计了一组对照实验。在这组实验中，让小鼠在特定外部刺激下进行特定活动：当小鼠闻到某种气味时，执行舔水的指令；而当闻到另一种气味时，执行停止舔水的指令。这项实验将气味作为小鼠执行某项任务的刺激指令。小鼠自身的状况（饥渴程度）、所积累的过往经验帮助它们作出是否喝水的决策。

观测方法

双光子成像示意图 

研究人员将全皮质广角钙成像技术与双光子显微技术相结合来探测小鼠大脑中的神经活动。其中，全皮质广角钙成像技术利用荧光分子能对钙离子作出响应的特性探测细胞中的钙离子，从而得到大脑皮质的图像；而双光子显微技术区别于传统的荧光显微技术，在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收 2 个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子，能提供更详细的、特定区域的皮质成像。这使得研究人员不仅能够记录小鼠大脑的几乎整个大脑皮层的活动，还能得到足够高的分辨率以揭示单个神经细胞和神经回路的时空动态。

观测结果

实验结果表明，神经回路和分布在大脑皮层各个地方的不同种类细胞甚至在简单的自适应行为中也会起作用。实验结果同时也验证了前额皮质在协调规划和任务执行中起到关键作用的假设，前额皮质有效地将动物的行为状态传达给整个大脑中各部分局域神经元。

通过高分辨成像观测，研究人员也解密了小鼠在作出决定舔水过程中大脑神经元的时空图样。他们发现在整个大脑皮质中，灰质中的神经纤维网在小鼠执行不同任务时显现出不同的图样。神经元的这种活动分布于整个大脑皮质中，不同于只有部分神经元活动的简单的感觉反馈。

研究意义

DARPA项目经理贾斯廷·桑切斯对这项工作评价道，DARPA启动Neuro-FAST项目以找到新的方法来观测大脑，这项工作发展的光学显微技术让我们能在大脑执行任务时观察其细微变化。这将帮助我们明确大脑在协调和执行任务时单个神经元所扮演的角色，并且我认为这将是发展未来脑机接口技术的基石。

未来计划

贾斯廷说，这一研究还有很长的路要走，DARPA的长期目标是发展帮助服务对象更好管理现代战争中的复杂场景的系统。Neuro-FAST项目旨在理解和更好利用神经回路。未来研究将试图理解任务相关的信息是如何在整个大脑皮质中协同的。这包括通过各种行为比较大脑皮层活动以理解皮层活动如何与不同的目标相关联。

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