臺大與他校共組跨領(lǐng)域團隊 發(fā)展創(chuàng)新顯微鏡技術(shù)觀察高速腦神經(jīng)功能性影像

人類的腦如何運算？如何產(chǎn)生意識？一直是未解的謎團。臺灣大學(xué)物理學(xué)系教授朱士維與臺大醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)科暨研究所副教授潘明楷在國科會「腦科技創(chuàng)新研發(fā)及應(yīng)用計畫」支持下，偕同國立清華大學(xué)教授吳順吉組成跨領(lǐng)域團隊，結(jié)合光學(xué)顯微技術(shù)，深度學(xué)習(xí)提升影像品質(zhì)，以及基因改造螢光小鼠等創(chuàng)新技術(shù)，共同以人工智慧AI協(xié)助探索腦的奧秘。能夠以高速高對比大體積的四維時空成像技術(shù)，觀察活體腦神經(jīng)中的個別與集體細胞運算，了解高效能的腦部運算機轉(zhuǎn)，未來可以應(yīng)用在發(fā)展更新的AI模組上。此成果已2024年11月發(fā)表在國際頂尖期刊 「先進科學(xué)」 Advanced Science。

該研究團隊的目標是能夠看到腦中每一個細胞彼此如何「聊天」的過程，希望能夠看得廣、看得深、看得細、看得快。但目前世界上所有的影像技術(shù)，並無法同時滿足能夠看到全腦的深度，解析度達到細胞乃至突觸等級，還有速度要能夠追上神經(jīng)信號傳導(dǎo)的諸多要求。因此該團隊發(fā)展高速光學(xué)顯微技術(shù)，雖然穿透深度尚不足小鼠全腦，不過已經(jīng)能夠同步看到活體腦中三維空間內(nèi)眾多神經(jīng)細胞的緻密樹突結(jié)構(gòu)，且時間上的取像速度亦達到每秒千張等級。但是與此同時，主要面臨的挑戰(zhàn)就是高速影像的清晰度不足。於是該研究更是利用最新的AI技術(shù)，結(jié)合神經(jīng)生物學(xué)的基本結(jié)構(gòu)連續(xù)概念，能在不需要花費大量時間取得沒有雜訊的影像作為參考 (ground truth)條件下，直接大幅提高四維時空影像對比，讓原本模糊不清的神經(jīng)反應(yīng)信號，變得非常清楚。研究團隊將這樣的技術(shù)應(yīng)用在觀察小腦中控制動作的神經(jīng)元上，這些神經(jīng)元的分佈就像GPU一般，平行排列進行運算。透過此項創(chuàng)新技術(shù)，可以看到這一群細胞中，相鄰的樹突層就算接收到的信號相仿，傳遞到細胞本體層竟然會變出不同的結(jié)果。顯示這些神經(jīng)單元是既獨立運作，又能集體合作產(chǎn)生運動的模式。

此跨領(lǐng)域合作團隊所發(fā)展的技術(shù)，一方面能夠進一步提升人類對腦組織運算的功能性理解，有助於探討意識如何產(chǎn)生的問題；另一方面對於神經(jīng)系統(tǒng)運作的深入觀察與理解，將有助於未來發(fā)展更先進以及節(jié)能的人工智慧運算，相輔相成

研究成果全文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202405293