探秘“終極疆域”，國產(chǎn)科研大裝備賦能中國腦計劃

在上?？萍即髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院地下一層，一臺國產(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產(chǎn)科研大配備(受訪者供圖)

這是國家科技立異2030-“腦科學(xué)與類腦研討”重大項目的一部分。產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方攜手攻堅，首次使用國產(chǎn)高端磁共振賦能我國腦方案，將制作我國首個嬰幼兒動態(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)國產(chǎn)科研大配備產(chǎn)業(yè)包圍與展開。

首次給我國嬰幼兒的大腦“畫地圖”

對人類大腦的研討，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、多動癥、發(fā)育障礙等;在我國，早產(chǎn)兒篩查異常率高達(dá)18%。但是，科學(xué)家們對這些疾病的發(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)育印象實驗室主任張寒說。

作為上述大科學(xué)方案的一部分，“嬰幼兒腦發(fā)育行列”項目近來在上海科技大學(xué)正式開題，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)我國首個0至6歲正常發(fā)育嬰幼兒聚合穿插大行列，制作我國首個嬰幼兒動態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌道，并展開前沿技能和發(fā)育機制研討。

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)過行為測試，大約在2歲左右可以識別出自閉癥兒童，但此時進(jìn)行治療干涉已經(jīng)錯過了‘黃金治療期’。咱們期望經(jīng)過腦發(fā)育的根底研討，更早識別、治療這些‘未解之病’，造福更多家庭。”張寒說。

國產(chǎn)大配備與國家前沿科學(xué)研討雙向“賦能”

近1000億個神經(jīng)元和100萬億個聯(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，無法忍耐磁共振的噪聲和長期掃描，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。

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

“成人掃描磁共振所使用的線圈對嬰幼兒來說尺寸過大，咱們就第一時間開發(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，這樣掃描過程中不需要移動嬰兒或許更換掃描線圈就能一次性完成掃描。”聯(lián)影醫(yī)療董事長張強說。

產(chǎn)業(yè)配備儀器和根底科學(xué)“無縫”聯(lián)接，是一種雙向“賦能”。據(jù)介紹，這一前沿研討項目，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題。

“技能的展開與前沿科學(xué)研討的進(jìn)步是相得益彰的，在國家重大前沿科研項目中，咱們既要研討處理各種科學(xué)問題，也要帶動國產(chǎn)設(shè)備中心技能的展開和打破，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)始院長沈定剛說。

探索產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方攜手攻堅

長期以來，高場磁共振醫(yī)學(xué)印象設(shè)備的部件和整機制造被外企壟斷;國產(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年度國家科技進(jìn)步獎一等獎。

“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，再從產(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、跨行業(yè)、跨區(qū)域進(jìn)行協(xié)同立異。”張強說。

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

“人腦的運作機理是什么?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?這是我國腦方案的特征。”沈定剛說，期望經(jīng)過研討，不只可以在腦科學(xué)領(lǐng)域取得激動人心的發(fā)現(xiàn)，還能為國產(chǎn)大配備實現(xiàn)中心要害技能的自主可控供給關(guān)鍵，形成獨一無二的“我國腦方案”。