神經(jīng)科學(xué)研究的終極目標(biāo)是深入理解大腦如何執(zhí)行計算，以供建構(gòu)或修復(fù)相當(dāng)于大腦的智能體。此目標(biāo)的主要障礙在于大腦包含數(shù)量龐大的基本計算單元——神經(jīng)元；同時，這些單元之間通過復(fù)雜的遠(yuǎn)程連接交流，形成龐大的組合可能性——即使是小魚大腦中的神經(jīng)元排列組合也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙可能擁有的原子總數(shù)！這種復(fù)雜度是大腦超凡能力的源泉，使其超越任何其他生物器官。同時也使得大腦科學(xué)必然成為一個多學(xué)科融合的前沿領(lǐng)域，也必須結(jié)合多個學(xué)科的技術(shù)和方法才能揭示其奧秘。我們實(shí)驗室致力于發(fā)展跨學(xué)科、在全腦尺度理解大腦計算規(guī)律的研究范式，探索并發(fā)掘有深度的神經(jīng)原理，并且培養(yǎng)能夠在跨學(xué)科研究中成長的新一代學(xué)者。
【研究策略】
我們的策略是在整體與局部對大腦工作機(jī)制進(jìn)行同時解析。我們采用復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的視角，在全腦尺度上綜合分析細(xì)胞分辨率的結(jié)構(gòu)、功能和分子多維信息，揭示腦區(qū)間和細(xì)胞間的相互作用規(guī)律。復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)在氣候、電力網(wǎng)絡(luò)、社交網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域已顯示其重要價值，通過數(shù)學(xué)建模等方法解釋自組織、涌現(xiàn)等非線性過程的原理，此領(lǐng)域的研究成果在2021年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。這種研究視角對于闡釋大腦工作原理至關(guān)重要，關(guān)鍵在于高質(zhì)量生物學(xué)數(shù)據(jù)的獲取，及與相匹配理論方法的有效結(jié)合。
【研究對象】
在此框架下，我們選擇可以觀測全腦所有神經(jīng)元活動的斑馬魚作為研究對象，建立了全腦尺度、單細(xì)胞分辨率的研究系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括專門設(shè)計的全腦成像光學(xué)顯微鏡、用于活體成像的熒光探針、結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的行為范式，以及適宜的數(shù)據(jù)分析方法。我們的研究成果已在Cell、Nature Neuroscience、Neuron等頂級期刊發(fā)表，位居國際前沿。
【科學(xué)問題】
我們在感覺-運(yùn)動轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，分析全腦的興奮抑制神經(jīng)元的活動，以及同步監(jiān)測多巴胺、五羥色胺、去甲腎上腺素等神經(jīng)調(diào)質(zhì)系統(tǒng)。通過這些完整神經(jīng)數(shù)據(jù)，我們關(guān)注：
（1）大腦編碼多種模態(tài)、極多種類的感覺信息編碼的基本規(guī)律是什么？
（2）維持感覺信息并產(chǎn)生抉擇的全腦模型是什么？
（3）通過主動探索時的行為反饋，改變認(rèn)知和狀態(tài)的全腦機(jī)制是什么？
同時，我們也將方法應(yīng)用于更廣泛的復(fù)雜系統(tǒng)，如神經(jīng)與腸道神經(jīng)元的相互作用等。
此外，我們與本中心的斑馬魚全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺密切合作，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能的全腦整合，通過完整的數(shù)據(jù)解析腦網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)和信息處理機(jī)制。最終目標(biāo)是揭示基于全腦神經(jīng)聯(lián)接結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的視覺-運(yùn)動轉(zhuǎn)導(dǎo)的靈活性和魯棒性的神經(jīng)機(jī)理，推動腦科學(xué)研究從局部到整體的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)這些研究目標(biāo)真正實(shí)現(xiàn)時，一個明顯的標(biāo)志是我們能夠在虛擬智能體上整合我們對結(jié)構(gòu)和功能的全部發(fā)現(xiàn)。這個智能體將能夠模擬真實(shí)魚類的行為，并具備在未知環(huán)境中生存的能力。此外，在資源和虛擬生命條件允許的前提下，這個智能體還將能隨時間進(jìn)化，發(fā)展出更為豐富和高級的智能應(yīng)對策略。更進(jìn)一步，當(dāng)這條虛擬的魚的身體被替換為其他物種的身體時，它能夠適應(yīng)和學(xué)習(xí)，在全新的環(huán)境和不同的身體條件下如魚得水。
研究組組長;研究員
