杜久林的办公室正在一排实习室中央。穿过长长的走廊，来到他办公室。电脑屏幕上闪动着一个繁杂、巧妙的图像——紫色、蓝色、血色的光点修饰，荧光短线条相互交叉、连结，又离开枝杈，指向远方。

　　那是他和团队成员正正在全力解开的诡秘“宇宙”——大脑。他是中邦科学院脑科学与智能手艺突出革新中央的推敲员。

　　杜久林说，这是人类碰到的最繁杂、最诡秘的体例。“咱们现正在的大脑，是亿万年生物演化的产品。”它的功率很小，只要数十瓦。但效力很壮大，是目前最前辈新的人工智能无法望其项背的。它是若何造成的，运转轨则是什么？为什么会导致疾病？这些隐私都还若隐若现，离揭开答案再有很长的途要走。正在人工智能郁勃生长的现正在，解密大脑的紧张意思越发凸显，能够启示新的人工智能构架和算法的研发。

　　由杜久林、穆宇、李莹、姚园园、张白冰告竣的“视觉消息打点与活动发作的神经机制”项目荣获2020年度上海市自然科学手艺奖一等奖。该项目以斑马鱼为脊椎动物模子，推敲视觉行动从视网膜到大脑的反响与感化进程，揭示神经调治体例正在此进程中的感化机制，并阐明其构造连结组，对认识大脑管事道理有紧张促进感化。

　　现正在他们采用新的推敲办法和系统，“既睹丛林，又睹树木，甚或树叶”，向全脑的解析开赴。

　　“人家原本说说挚友（爱情）来‘电’，本来很有真理。大脑里一起的信号打点都是以电的形式。本色上一起的消息流都是电信号的消息流。”杜久林说。

　　他进一步外明，可是外界的良众信号、觉得刺激大都不是电的时势，而是其他物理时势的，譬喻光的、死板力的、化学分子的。神经体例进化出少许细胞，可能把这些各样分歧的物理能量转换成电信号，而大脑就打点电，是一个打点电的繁杂体例，然后用电信号最终来把持肌肉细胞的中断和舒张，把持人的活动、心绪、心理行动等。以是，本色上来讲，咱们都是一个带电体，用电信号打交道。

　　神经元是消息通报的“高速公途”、“电缆”。正在大脑里，消息通报的进程一齐火花带闪电，再有化学物质的爆发和耗费，如五羟色胺、乙酰胆碱等；以至“消息”是有形式的——分歧的消息，会带来分歧脑区的空间地方上分歧神经元的电发放。

　　一束光进程物体轮廓，进入人的眼睛，落到视网膜上。正在这里，物理信号被转化为神经信号，譬喻电火花。这些电信号被传入大脑的视觉中枢，刻画出物体的轮廓、形式、颜色、速率等。

　　此中，哈佛大学的生物学教养George Wald揭示了视网膜的化学构成，非常是视紫红质（rhodopsin）正在光泽年诺贝尔心理学或医学奖被授予David H. Hubel 和 Torsten N. Wiesel。他们伺探分歧形式和亮度的物体怎么激活猫大脑皮层中的特定神经元，揭示了大脑视觉皮层是怎么分级打点视觉消息的。

　　固然正在一刹那咱们就告竣了“瞥睹”这个进程，但至今人们还不知道对颜色或色温的感知是怎么杀青的。更繁杂的是，光子自己并没有颜色。分歧颜色的光的差别仅仅正在于波长。正如分歧气息的化学分子自己并没有气息，但大脑付与了它们万千分歧。

　　“一个成年人的大脑内部有逼近1,000亿（1011）个神经元，它们造成的连结总数大约有百万亿个（1014），况且是有序的连结。银河系内部恒星的数目级也是千亿级别，这是外部宇宙。大脑本来是咱们的内部宇宙。”杜久林说。

　　五、六万条体长仅3-5厘米的小鱼，构成了邦内最大的斑马鱼推敲平台之一，由杜久林课题组统制。这里也是全脑介观神经联接图谱推敲平台（斑马鱼）。

　　斑马鱼早期的胚胎是透后的，成鱼全身布满众条深蓝色条纹，像是斑马一律，其基因和人类的好像度到达87％。它被称为“水中小白鼠”，动作形式动物，正在揭开性命科学诸众奥妙的进程中为人类供应助攻。

　　杜久林吐露，人类吸收到的消息80%足下来自视觉。正在神经科学范畴，视觉推敲平素占领着紧张身分。“推敲斑马鱼让我认识到，不行小瞧0.1立方毫米的迷你大脑，它能够撬动一共脑科学的生长进程。”

　　动物对分歧觉得刺激的反响是糊口的枢纽。以往的推敲众蚁合正在“觉得体例”的消息打点上，比如视觉通途怎么加工形式、颜色、运动等消息。但觉得体例将消息打点后传入大脑，视觉刺激的活动意思怎么被大脑打点，以及大脑怎么凭据这些意思调控活动尚不知道。

　　为了揭开这一谜团，杜久林团队愚弄斑马鱼动作推敲对象，采用了一系列前辈的神经生物学推敲手艺，包含正在体电心理纪录、光遗传学激活和钙成像等手艺。

　　动作视觉体例的第一站，长久往后，视网膜信号打点被以为是相对安谧，而没有可塑性。但杜久林推敲组创造，视网膜突触通报具有神经行动依赖的长时程可塑性，从而动态调治视觉信号的打点，改进了古板的意见。

　　其它，杜久林推敲组创造，大脑中免疫细胞-小胶质细胞会对视觉中枢神经元的视觉信号实行稳态调治。这一创造揭示了一种新的视觉信号的调控形式，被邦际学术期刊《神经元》（Neuron）期刊评为范畴近年最具有影响力的管事，被以为是揭开小胶质细胞心理效力的开创性管事。

　　亮或暗偏好是动物的本能活动。杜久林推敲组创造，大脑左侧缰核通过领受双侧丘脑输入，正在亮偏好活动中起闭键感化，揭示了脊椎动物介导亮偏好活动的神经环途机制。

　　其它，大脑缰核与人类的情感相闭。杜久林吐露，目前已有临床推敲职员凭据闭系推敲，斥地愚弄格外光照耀办法对抑郁患者实行干涉或调整的计划。

　　斑马鱼对具有紧张性的视觉刺激爆发遁跑活动。他们推敲创造，对这一活动的把持发作正在从视觉消息通报到遁跑敕令神经元的阶段。

　　推敲进一步揭示，当斑马鱼吸收非紧张性视觉刺激时，众巴胺能神经元及其正向调控的胁制性神经元电行动扩展，阻断了视觉消息的通报，使得斑马鱼不会因非紧张刺激而遁跑。当斑马鱼吸收到紧张性视觉刺激时，这两种神经元的行动受到胁制，袪除了视觉消息通报的胁制，斑马鱼爆发遁跑反响。

　　众巴胺能神经元和后脑甘氨酸能胁制性神经元构成的效力模块，相当于“交通批示员”，助助动物正在繁杂的处境中做出无误的活动采取——是遁跑，依旧留下来。这注明神经调质体例能够被觉得刺激调制，从而助助动物爆发相应的活动反响。

　　该推敲增加了人们对觉得-运动消息转换把持神经机制的认识，以及对神经调质体例能手为采取中感化的知道。

　　视觉会影响听觉？正在大脑中，视觉信号与其它觉得信号的跨膜态互作是动物感知繁杂处境的根本。杜久林推敲组创造，视觉信号通过激活下丘脑众巴胺神经元，调治听觉通途的信号编码和听觉活动的发作，阐明白视觉跨模态调治听觉效力的神经环途机制。

　　杜久林相等重视科学推敲中的思思系统和手艺系统的修筑与生长，“要有思思地管事。逐日投身管事之际，都必要连结深度忖量；要正在推敲中慢慢造成本身的推敲系统，包含思思系统和实习系统”。

　　2006年1月1日，从美邦留学返来的杜久林决心要筑一个本身的推敲系统。“既睹丛林，又睹树木（神经元），甚或树叶”，是他的系统和政策。此中，“丛林”是指全脑，“树木”是指神经元，树叶是指“突触”。

　　而他以为最紧张是一个视角，或思想形式是，必要站正在漫长的生物演化的改日光阴节点上，以天主视角，回来看看，从新审视、评估、考量本身正正在实行推敲和正正在解答的题目，然后前行。

　　“现正在神经科学的生长，客观上来讲，还处于对个别脑区有限维度的通晓。某个脑区若何样爆发某个活动的，哪些神经元爆发哪种活动。”“相当于

　　战邦阶段一城一池的比力。”“做斑马鱼，并不是为了做斑马鱼。”杜久林说。他期望通过对斑马鱼的推敲，来通晓神经体例的架构、效力和底层“逛戏轨则”，即算法。

　　人类大脑有逼近1000亿个神经元，而斑马鱼大脑只要大约10万个神经元。而二者都是脊椎动物。

　　杜久林吐露，正在基因-信号通途-神经元样子与效力-神经环途等众个宗旨上，脊椎动物的大脑构造与效力具有高度的守旧性。脑科学推敲处于枢纽的史乘拐点，正从聚焦于推敲个别脑区促进到正在全脑标准上探究神经体例构造的计划道理和神经消息的打点机制。正在实习伺探办法和数据阐明本事上，从宏观（脑辨别辨率）、介观（细胞阔别率）、抑或微观（突触阔别率）层面上，斑马鱼是目前唯逐一个能够从全脑标准上解读脑管事道理的形式脊椎动物。

　　荧光象征的斑马鱼大脑。荧光象征的斑马鱼大脑。（绿色：神经细胞；血色/黄色：血管。）

　　一个透后或半透后的斑马鱼的大脑，进程打点，被切成薄如蝉翼以至更薄的薄片。然后正在电子显微镜下照相，读取神经元的连结环境，画图，并实行人工校阅。

　　这将是第一个脊椎动物的全脑微观神经联接图谱。杜久林吐露，谷歌等邦际科技巨头也正在抢光阴，篡夺这个“第一”。

　　由于是透后的，斑马鱼的全脑推敲具有特殊的上风。“关于良众动物不透后的大脑，目前的手艺可能纪录到神经元的鸿沟是有限的。但斑马鱼纷歧律，正在显微镜下面，它大脑内部一起的细胞一清二楚。以至10万个神经元，咱们全盘能看到。”他说。

　　仅用于外示斑马鱼0.1立方毫米的大脑的图像数据，就有约250TB（太比特）。而这还只是一个静态的大脑构制的数据。

　　认识到斑马鱼的全脑推敲上风时，良众手艺还没有生长起来。他领导课题构成员沿途闯难闭，斥地各样众学科交叉手艺。

　　“咱们方才开头做斑马鱼的时分，邦际上或者只要十来个实习室做斑马鱼的神经体例效力推敲。咱们一边做科学推敲，一边生长新的手艺，然后促进本身科研，同时这个范畴也会受益。”杜久林说。

　　假使清楚一个带头机或发电机内线圈的围绕形式，咱们能够创制一台同样的安装吗？能够清楚它的运转规矩、纪律，以至“思法”吗？除非去试验，不然没有人清楚谜底。

　　“有了这个数据往后，咱们能够统统地还原一个繁杂体例，一个能耗非凡低、被优化了数亿年的智能体例——斑马鱼的大脑，然后用繁杂体例的科学外面办法来阐明其构造上的特征，推敲其消息的编码、调换机制。”杜久林说，“实质上，咱们看到10万个神经元的行动，是相当于鱼的全邦都正在内部。鱼的思思、一起肢体的运动，以至内脏器官的运动，都蕴藏正在此中。”

　　神经科学推敲范畴面对的一个枢纽困难是大数据的及时打点。他外明说，一个米粒都要比斑马鱼大脑大良众倍。通过光学成像，斑马鱼大脑中得到的全脑神经行动的数据流量每一秒钟到达500GB数目级，必要疾捷地打点完，再反应到把持器上。阐明的方向是，消息正在这个繁杂体例里是若何滚动的？哪些细胞爆发或调控它？电信号是从哪个脑区的哪个细胞吸收来的，又送到哪个脑区的哪个细胞，最终作出了什么样的加工，把持了什么运动等？

　　“目前的神经科学推敲首要是阐明搜集的节点行动，繁杂体例则侧重阐明搜集中的消息流。繁杂体例爆发的数据，能够反响和提取该体例的特点。往后各个学科的生长一般会涉及大数据的打点。分歧砚科、分歧系统，都是一个具象化的繁杂体例，是大数据爆发及其操纵的分歧场景，或者讲大数据是其联合的一个笼统层面。”杜久林说。

　　杜久林宣泄，“咱们近期打破了一个手艺难闭——全脑神经细胞行动的大数据及时打点，并基于此手艺，杀青了大数据流的光学脑机接口；连结人工神经搜集等手艺，杀青了大脑神经搜集和人工神经搜集的交互，从而将目前神经科学家一般利用的开环实习范式升级到及时闭环推敲新范式，这将会激动人工智能正在神经科学推敲中的操纵（即AI4Neuroscience），同时也会鞭策神经科学推敲对人工智能生长的感化（即Neuroscience4AI）。”

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