探秘“終極疆域”，國(guó)產(chǎn)科研大裝備賦能中國(guó)腦計(jì)劃

在上海科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院地下一層，一臺(tái)國(guó)產(chǎn)科研大配備——高度定制、用于腦科學(xué)前沿根底研討的3.0T磁共振體系，正在收集志愿者的腦印象。

正在收集志愿者圖像的國(guó)產(chǎn)科研大配備(受訪者供圖)

這是國(guó)家科技立異2030-“腦科學(xué)與類腦研討”重大項(xiàng)目的一部分。產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方攜手攻堅(jiān)，首次使用國(guó)產(chǎn)高端磁共振賦能我國(guó)腦方案，將制作我國(guó)首個(gè)嬰幼兒動(dòng)態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌道，為兒科臨床、類腦與人工智能等科技前沿供給根底支撐，推進(jìn)國(guó)產(chǎn)科研大配備產(chǎn)業(yè)包圍與展開(kāi)。

首次給我國(guó)嬰幼兒的大腦“畫(huà)地圖”

對(duì)人類大腦的研討，被稱作是自然科學(xué)的“終極邊境”。

“根據(jù)世界衛(wèi)生組織《全球疾病負(fù)擔(dān)研討》顯示，在全球范圍內(nèi)，5歲以下嬰幼兒中平均每49.5人就有1人患有腦相關(guān)疾病，如自閉癥、多動(dòng)癥、發(fā)育障礙等;在我國(guó)，早產(chǎn)兒篩查異常率高達(dá)18%。但是，科學(xué)家們對(duì)這些疾病的發(fā)病原因、如何早發(fā)現(xiàn)早治療，都一知半解。”上?？萍即髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院嬰幼兒腦發(fā)育印象實(shí)驗(yàn)室主任張寒說(shuō)。

作為上述大科學(xué)方案的一部分，“嬰幼兒腦發(fā)育行列”項(xiàng)目近來(lái)在上?？萍即髮W(xué)正式開(kāi)題，將聚集嬰幼兒早期發(fā)育階段大腦結(jié)構(gòu)、功用、聯(lián)接的重大改變，建設(shè)我國(guó)首個(gè)0至6歲正常發(fā)育嬰幼兒聚合穿插大行列，制作我國(guó)首個(gè)嬰幼兒動(dòng)態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌道，并展開(kāi)前沿技能和發(fā)育機(jī)制研討。

與成年人發(fā)育老練的大腦不同，新生兒出生第1年大腦發(fā)育速度極快，大腦容量和形態(tài)特征快速改變，這對(duì)數(shù)據(jù)收集、成像技能和數(shù)據(jù)分析技能均提出了更高要求。哪怕此前已經(jīng)積累了很多研討，但根據(jù)成人大腦的技能對(duì)嬰幼兒大腦圖像的適用性也十分有限。

精準(zhǔn)的丈量和分析嬰幼兒早期腦發(fā)育圖譜和發(fā)育軌道，可認(rèn)為早期識(shí)別確診乃至治療嬰幼兒相關(guān)疾病供給要害依據(jù)。

“醫(yī)生經(jīng)過(guò)行為測(cè)試，大約在2歲左右可以識(shí)別出自閉癥兒童，但此時(shí)進(jìn)行治療干涉已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了‘黃金治療期’。咱們期望經(jīng)過(guò)腦發(fā)育的根底研討，更早識(shí)別、治療這些‘未解之病’，造福更多家庭。”張寒說(shuō)。

國(guó)產(chǎn)大配備與國(guó)家前沿科學(xué)研討雙向“賦能”

近1000億個(gè)神經(jīng)元和100萬(wàn)億個(gè)聯(lián)接……研討人腦，高清圖像的數(shù)據(jù)收集是根底條件，研討嬰幼兒的腦部發(fā)育更非易事。嬰幼兒易動(dòng)，無(wú)法忍耐磁共振的噪聲和長(zhǎng)期掃描，往往只要在睡眠狀態(tài)才有可能收集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

“咱們引入了國(guó)產(chǎn)科研大配備——3.0T磁共振uMR890進(jìn)行全方位掃描，配備搭載了根據(jù)人工智能技能的uAIFI‘類腦’渠道，不只圖像高清，還可將掃描時(shí)間節(jié)約約44%，腦結(jié)構(gòu)成像噪聲下降約28%至34%，極大提高了嬰幼兒腦印象數(shù)據(jù)收集效率和成像質(zhì)量。”張寒說(shuō)。

記者在這臺(tái)定制化的國(guó)產(chǎn)科研大配備上看到，為適應(yīng)兒童的生理和心理特點(diǎn)，體系多個(gè)軟硬件都做了個(gè)性化的調(diào)整。來(lái)自聯(lián)影醫(yī)療的研發(fā)工程師團(tuán)隊(duì)，簡(jiǎn)直每天都和科學(xué)家們待在一起，第一時(shí)間呼應(yīng)科研需求，隨時(shí)進(jìn)行設(shè)備的調(diào)整和升級(jí)。

“成人掃描磁共振所使用的線圈對(duì)嬰幼兒來(lái)說(shuō)尺寸過(guò)大，咱們就第一時(shí)間開(kāi)發(fā)了嬰幼兒頭頸脊柱聯(lián)合線圈，把線圈內(nèi)徑從26厘米削減到合適嬰幼兒體型的18厘米，線圈更嚴(yán)密貼合成像區(qū)域，掃描圖像更明晰。為了讓科研人員收集數(shù)據(jù)更便利，咱們讓線圈軸向覆蓋范圍更大，這樣掃描過(guò)程中不需要移動(dòng)?jì)雰夯蛟S更換掃描線圈就能一次性完成掃描。”聯(lián)影醫(yī)療董事長(zhǎng)張強(qiáng)說(shuō)。

產(chǎn)業(yè)配備儀器和根底科學(xué)“無(wú)縫”聯(lián)接，是一種雙向“賦能”。據(jù)介紹，這一前沿研討項(xiàng)目，不只聚集“0至1”的原始立異，還將繼續(xù)聯(lián)手高端醫(yī)療配備產(chǎn)業(yè)公司，共同開(kāi)發(fā)適用于腦智發(fā)育研討的智能化、高性能的成像設(shè)備和渠道，處理要害中心技能問(wèn)題。

“技能的展開(kāi)與前沿科學(xué)研討的進(jìn)步是相得益彰的，在國(guó)家重大前沿科研項(xiàng)目中，咱們既要研討處理各種科學(xué)問(wèn)題，也要帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)設(shè)備中心技能的展開(kāi)和打破，雙向‘賦能’。”上?？萍即髮W(xué)教授、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院創(chuàng)始院長(zhǎng)沈定剛說(shuō)。

探索產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方攜手攻堅(jiān)

長(zhǎng)期以來(lái)，高場(chǎng)磁共振醫(yī)學(xué)印象設(shè)備的部件和整機(jī)制造被外企壟斷;國(guó)產(chǎn)高端設(shè)備支持前沿科學(xué)領(lǐng)域研討，更是難上加難。此次使用的3.0T磁共振科研配備，因全面掌握這一領(lǐng)域的中心部件技能，曾獲2020年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“從根底立異的最早一公里走到產(chǎn)業(yè)落地的最終一公里，再?gòu)漠a(chǎn)業(yè)技能反哺根底研討，最重要的是產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方的攜手，企業(yè)與高校、新型研發(fā)組織、醫(yī)院深度協(xié)作，跨部門(mén)、跨行業(yè)、跨區(qū)域進(jìn)行協(xié)同立異。”張強(qiáng)說(shuō)。

“咱們很期望這個(gè)形式可以復(fù)制。”上海市科委根底研討處處長(zhǎng)宋揚(yáng)說(shuō)。2021年，上海市科委牽頭，正式啟動(dòng)“探索者方案”，引導(dǎo)和鼓勵(lì)有條件的重點(diǎn)企業(yè)出資與政府聯(lián)合建立科研方案，重點(diǎn)聚集集成電路、生物醫(yī)藥、人工智能三大重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)在展開(kāi)中的重要科學(xué)問(wèn)題和要害技能難題，采用“揭榜掛帥”的方式，推進(jìn)自主立異。

“人腦的運(yùn)作機(jī)理是什么?特定腦疾病是產(chǎn)生什么病變引起的?人腦的結(jié)構(gòu)如何為人工智能算法賦能?這是我國(guó)腦方案的特征。”沈定剛說(shuō)，期望經(jīng)過(guò)研討，不只可以在腦科學(xué)領(lǐng)域取得激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，還能為國(guó)產(chǎn)大配備實(shí)現(xiàn)中心要害技能的自主可控供給關(guān)鍵，形成獨(dú)一無(wú)二的“我國(guó)腦方案”。