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生物醫(yī)學工程學院地下一層，一臺國產(chǎn)科研大裝備——高度定制、用于腦科學前沿基礎研究的3.0T磁共振系統(tǒng)，正在采集志愿者的腦影像。

這是國家科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目的一部分。產(chǎn)學研醫(yī)四方攜手攻堅，首次使用國產(chǎn)高端磁共振賦能中國腦計劃，將繪制中國首個嬰幼兒動態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌跡，為兒科臨床、類腦與人工智能等科技前沿提供基礎支撐，推動國產(chǎn)科研大裝備產(chǎn)業(yè)突圍與發(fā)展。

首次給中國嬰幼兒的大腦“畫地圖”

對人類大腦的研究，被稱作是自然科學的“終極疆域”。

“根據(jù)世界衛(wèi)生組織《全球疾病負擔研究》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人患有腦相關疾病，如自閉癥、多動癥、發(fā)育障礙等;在中國，早產(chǎn)兒篩查異常率高達18%。但是，科學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?！鄙虾？萍即髮W生物醫(yī)學工程學院嬰幼兒腦發(fā)育影像實驗室主任張寒說。

作為上述大科學計劃的一部分，“嬰幼兒腦發(fā)育隊列”項目近日在上?？萍即髮W正式開題，將聚焦嬰幼兒早期發(fā)育階段大腦結(jié)構、功能、連接的重大變化，建設中國首個0至6歲正常發(fā)育嬰幼兒聚合交叉大隊列，繪制中國首個嬰幼兒動態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌跡，并開展前沿技術和發(fā)育機制研究。

與成年人發(fā)育成熟的大腦不同，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)特征快速變化，這對數(shù)據(jù)采集、成像技術和數(shù)據(jù)分析技術均提出了更高要求。哪怕此前已經(jīng)積累了大量研究，但基于成人大腦的技術對嬰幼兒大腦圖像的適用性也非常有限。

精準的測量和分析嬰幼兒早期腦發(fā)育圖譜和發(fā)育軌跡，可以為早期識別診斷甚至治療嬰幼兒相關疾病提供關鍵依據(jù)。

“醫(yī)生通過行為測試，大約在2歲左右可以識別出自閉癥兒童，但此時進行治療干預已經(jīng)錯過了‘黃金治療期’。我們希望通過腦發(fā)育的基礎研究，更早識別、治療這些‘未解之病’，造福更多家庭。”張寒說。

國產(chǎn)大裝備與國家前沿科學研究雙向“賦能”

近1000億個神經(jīng)元和100萬億個連接……研究人腦，高清圖像的數(shù)據(jù)采集是基礎條件，研究嬰幼兒的腦部發(fā)育更非易事。嬰幼兒易動，無法忍耐磁共振的噪聲和長時間掃描，往往只有在睡眠狀態(tài)才有可能采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

“我們引入了國產(chǎn)科研大裝備——3.0T磁共振uMR 890進行全方位掃描，裝備搭載了基于人工智能技術的uAIFI‘類腦’平臺，不僅圖像高清，還可將掃描時間節(jié)省約44%，腦結(jié)構成像噪聲降低約28%至34%，極大提高了嬰幼兒腦影像數(shù)據(jù)采集效率和成像質(zhì)量?！睆埡f。

記者在這臺定制化的國產(chǎn)科研大裝備上看到，為適應兒童的生理和心理特點，系統(tǒng)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)工程師團隊，幾乎每天都和科學家們待在一起，第一時間響應科研需求，隨時進行設備的調(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，我們就第一時間開發(fā)了嬰幼兒頭頸脊柱聯(lián)合線圈，把線圈內(nèi)徑從26厘米減少到適合嬰幼兒體型的18厘米，線圈更緊密貼合成像區(qū)域，掃描圖像更清晰。為了讓科研人員采集數(shù)據(jù)更便利，我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者更換掃描線圈就能一次性完成掃描?！甭?lián)影醫(yī)療董事長張強說。

產(chǎn)業(yè)裝備儀器和基礎科學“無縫”銜接，是一種雙向“賦能”。據(jù)介紹，這一前沿研究項目，不僅聚焦“0至1”的原始創(chuàng)新，還將繼續(xù)聯(lián)手高端醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)公司，共同開發(fā)適用于腦智發(fā)育研究的智能化、高性能的成像設備和平臺，解決關鍵核心技術問題。

“技術的發(fā)展與前沿科學研究的進步是相輔相成的，在國家重大前沿科研項目中，我們既要研究解決各種科學問題，也要帶動國產(chǎn)設備核心技術的發(fā)展和突破，雙向‘賦能’?！鄙虾？萍即髮W教授、生物醫(yī)學工程學院創(chuàng)始院長沈定剛說。

探索產(chǎn)學研醫(yī)四方攜手攻堅

長期以來，高場磁共振醫(yī)學影像設備的部件和整機制造被外企壟斷;國產(chǎn)高端設備支持前沿科學領域研究，更是難上加難。此次使用的3.0T磁共振科研裝備，因全面掌握這一領域的核心部件技術，曾獲2020年度國家科技進步獎一等獎。

“從基礎創(chuàng)新的最先一公里走到產(chǎn)業(yè)落地的最后一公里，再從產(chǎn)業(yè)技術反哺基礎研究，最重要的是產(chǎn)學研醫(yī)四方的攜手，企業(yè)與高校、新型研發(fā)機構、醫(yī)院深度合作，跨部門、跨行業(yè)、跨區(qū)域進行協(xié)同創(chuàng)新。”張強說。

“我們很希望這個模式可以復制。”上海市科委基礎研究處處長宋揚說。2021年，上海市科委牽頭，正式啟動“探索者計劃”，引導和鼓勵有條件的重點企業(yè)出資與政府聯(lián)合設立科研計劃，重點聚焦集成電路、生物醫(yī)藥、人工智能三大重點產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中的重要科學問題和關鍵技術難題，采用“揭榜掛帥”的方式，推動自主創(chuàng)新。

“人腦的運作機理是什么?特定腦疾病是發(fā)生什么病變引起的?人腦的結(jié)構如何為人工智能算法賦能?這是中國腦計劃的特色。”沈定剛說，希望通過研究，不僅能夠在腦科學領域取得激動人心的發(fā)現(xiàn)，還能為國產(chǎn)大裝備實現(xiàn)核心關鍵技術的自主可控提供契機，形成獨一無二的“中國腦計劃”。(記者周琳、孫青)