广东省重点领域研发计划脑科学与类脑研究 重大科技专项“脑功能环路研究的新技术方法和工具的研发与转化”2021年第一次项目交流会召开
by 麦芷娟、都展宏 | 2021-02-04
广东省重点领域研发计划脑科学与类脑研究重大科技专项“脑功能环路研究的新技术方法和工具的研发与转化”2021年第一次项目交流会于2021年1月21日进行。会议采用线上线下相结合的形式召开。线下会议在中国科学院深圳先进技术研究院F13会议室进行，项目负责人王立平研究员，项目核心骨干徐富强研究员，鲁艺研究员，李骁健正高级工程师，都展宏副研究员，蔚鹏飞副研究员，林争荣等参加。南方科技大学宋学军教授，佛山科学技术学院李舟教授，浙江大学虞燕琴教授，香港理工大学郭景慧研究员，北京大学深圳深圳研究生院甘文标教授，南方医科大学郭燕舞主任医师，厦门大学杨云工程师，千奥星科南京生物科技有限公司法人代表罗红英，中国科学院深圳先进技术研究院贾凡副研究员，王华东副研究员等16位团队核心骨干参加了线上会议。
项目负责人王立平研究员就整体项目考核指标完成情况进行汇报，强调我们的研究团队优势明显，有希望产生国内甚至国际的领先的成果，各单位对本项目务必十分重视。目标是超额、高质量完成任务。
王立平研究员分四点汇报整体项目考核指标完成情况：项目总体背景和技术体系，各阶段成果指标和完成情况，各阶段技术就绪等级和说明，项目存在的问题和应对的措施。王立平研究员提醒项目团队，要对照好目前已完成的指标、中期考核要完成的指标和2021年12月结题的指标和任务，朝着200%超额完成指标的目标努力。
第二部分是各子课题的核心骨干成员汇报进度。徐富强，李骁健，都展宏，鲁艺，林争荣几位项目骨干分别汇报子课题一至五的核心指标和技术指标完成进度，子课题主要内容分别为示踪病毒、成像光遗传系统、电极电生理、柔性光遗传、超声调控。目前各子课题均针对中期考核、结题考核等重要节点前资料准备做出了详细的计划，专利申请、人才培养、产业化等指标目前已超额完成任务。各子课题之间和参与单位间将在新的一年加强合作，沟通各方技术应用、验证、转化，促进资源共享和技术交流。
会议现场
子课题负责人汇报进展
合作单位骨干线上参会
在广东省重点领域研发计划的支持下，五个子课题的团队取得了新进展。
课题一 徐富强团队成功开发高特异性的顺行神经环路解析系统
徐富强研究团队采用基于重靶向策略的单纯疱疹病毒，克服了传统毒株难以实现特异性感染等缺陷，成功研发出能够从特异类型神经元出发的严谨、高效的顺行跨单突触神经环路解析系统。
该研究针对神经科学中神经环路解析工具的缺口，基于具有顺行传播特性的单纯疱疹病毒，开发了一种具有高特异性的顺行示踪病毒工具。单纯疱疹病毒HSV1 H129毒株被广泛应用于神经环路解析，但是H129病毒具有感染神经元末梢的天然属性，因此在大脑中枢进行环路标记时会存在逆行感染的现象，为顺行环路解析带来干扰。本研究在H129病毒中引入重靶向系统，将其改造成只感染特定受体的病毒，从而实现感染特异类型神经元，避免神经末梢感染的目的。目前建立的新型顺行病毒系统已经完成了小鼠顺行环路解析的验证实验，并用于特异类型神经元输出神经网络的示踪。
图1 特异性顺行神经环路解析系统标记策略及活体验证
课题二 毕国强/李骁健团队协作研发介观尺度动态脑神经网络
该项目研发的显微镜系统是兼具光遗传神经调控和三维光学显微神经成像功能于一身的，具有高精度、大视场、且专为在体动物设计的脑神经环路解析工具。该系统设计用于对从小鼠到猕猴等多种模式动物的多个脑区进行较大范围的三维脑神经显微解析研究，实现多光子神经成像与光遗传光刺激的一体化。在实验动物应用范围和功能集成以及可扩展性方面超过市售多光子显微镜国际品牌，可以满足脑科学在介观尺度神经成像研究方向的科研仪器需求。目前进展是已经实现超过现有商用显微镜的成像视野；实现了视频级快速神经成像。
一体化成像调控系统样机图
课题三 王立平团队开发柔性/无线/高通量光电生理信号采集系统
课题三王立平团队开发的电生理采集技术可以对在体环路功能进行解析，是脑机接口等前沿发展方向的重要技术基础。本课题可结合光学与示踪病毒等结构图谱解析技术推进神经环路机制研究，同时也可结合环路调控技术对调控效果进行记录验证与优化，因此本课题可与项目中各课题有机地结合，获取更重要的脑功能活动信息。课题由脑所团队联合纳米能源所、厦门大学、华中科大、佛山科学技术学院等团队联合开展攻关，已研制出一种64通道可在体步进式光电极阵列、两种柔性可拉伸ECoG电极阵列并对两种电极的光学、电学、机械等性能进行了测试。同时研制出一种可无线采集32通道神经动作电位信号的记录装置,以及具有高采样率和高通道数的神经电生理信号采集系统。该系统的高带宽实现基于场编程门阵列和USB3.0技术，实现了超过1000通道神经电生理信号的并行获取，每个通道可以达到30K每秒的采样率。该系统具有滤波、神经元脉冲信号实时探测和数据压缩功能。该系统可以满足高性能植入式脑机接口研究方向的科研仪器需求。目前进展是已经完成系统集成，可以运行使用。团队累计已发表高水平SCI论文十余篇并已申请数十项重要专利，部分已获授权。
1024通道高通量电生理系统、软件界面及植入方式
课题四 鲁艺团队研发稳定柔性光遗传调控界
由于光遗传技术（optogenetics）同时兼具毫秒级的时间分辨率和细胞选择性，已经被广泛应用于针对神经环路的精准解析和调控当中。然而，受限于现有光学波导植入体的力学特性，如何在自由活动动物上实现对外周神经的毫秒级、细胞特异性的调控仍然极具挑战。为此，课题四鲁艺研究员团队采用现场聚合的方式，研发了超柔可拉伸的水凝胶光纤。该光纤的光损低于0.3 dB/cm，可拉伸形变超过了400%，杨氏模量低于1MPa，并且具有优异的生物相容性和稳定性，可以实现对目标神经元的选择性激活和对小鼠行为的调控。在此基础上，研究团队继续研发了新型的聚合物/水凝胶复合光纤，实现了对小鼠迷走神经的慢性光遗传调控，为外周-中枢神经环路的功能解析和作用机制解析奠定了技术基础。此外，为实现外周神经光遗传调控下的生理参数记录，团队还研发了一系列的柔性电极、界面和传感技术，初步实现了对神经环路功能的多维度解析。
课题五 医工所联合多单位团队成功开发超声聚焦神经调控
在2020年度，项目组将超声神经调控技术应用于癫痫患者离体脑片及非人灵长类癫痫模型上，患者知情同意下，在术中取出切除组织，结合膜片钳脑片记录及超声刺激系统，通过脑电结果分析发现超声刺激可以抑制癫痫患者离体脑片的癫痫样放电，同时，为了进一步验证超声刺激在体的作用，选取了与人类组织结构高度相似的非人灵长类动物进行模型构建及观察超声的作用效果，结合脑电图分析发现在非人灵长类急性癫痫模型上超声刺激同样具有抑制效果。
超声抑制癫痫离体脑组织（a）及非人灵长类动物模型（b）异常放电
与此同时，进一步研究了不同超声刺激参数在非人灵长类急性癫痫模型上的抑制作用，并通过磁共振成像观察超声刺激的安全性。
交流会的最后一项议程是项目组成员讨论、交流。王立平研究员总结：现在全国脑科技研究与产业形势一片大好，继北京、上海、合肥之后，深圳作为第四个综合性国家科学中心，项目团队凝心聚力，为科学中心的建设献智出力。新冠肺炎疫情之下，我们深刻领会生命安全和生物安全领域的重大科技成果是国之重器，我们团队有科研机构、高校和企业，要加强技术交流和共享，牢牢把握深圳综合性国家科学中心建设重大机遇。希望大家把深圳的平台用好，如果对技术有个性化需求，欢迎大家加强沟通，技术团队与应用团队密切配合。