探秘“終極疆域” 國產(chǎn)科研大裝備賦能中國腦計(jì)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(tái)國產(chǎn)科研大裝備——高度定制、用于腦科學(xué)前沿基礎(chǔ)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(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目的一部分。產(chǎn)學(xué)研醫(yī)四方攜手攻堅(jiān)，首次使用國產(chǎn)高端磁共振賦能中國腦計(jì)劃，將繪制中國首個(gè)嬰幼兒動(dòng)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(chǔ)支撐，推動(dòng)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(xué)的“終極疆域”。

“根據(jù)世界衛(wèi)生組織《全球疾病負(fù)擔(dān)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(guān)疾病，如自閉癥、多動(dòng)癥、發(fā)育障礙等;在中國，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)育影像實(shí)驗(yàn)室主任張寒說。

作為上述大科學(xué)計(jì)劃的一部分，“嬰幼兒腦發(fā)育隊(duì)列”項(xiàng)目近日在上?？萍即髮W(xué)正式開題，將聚焦嬰幼兒早期發(fā)育階段大腦結(jié)構(gòu)、功能、連接的重大變化，建設(shè)中國首個(gè)0至6歲正常發(fā)育嬰幼兒聚合交叉大隊(duì)列，繪制中國首個(gè)嬰幼兒動(dòng)態(tài)腦圖譜和發(fā)育軌跡，并開展前沿技術(shù)和發(fā)育機(jī)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(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)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(shù)對嬰幼兒大腦圖像的適用性也非常有限。

精準(zhǔn)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(shí)別診斷甚至治療嬰幼兒相關(guān)疾病提供關(guān)鍵依據(jù)。

“醫(yī)生通過行為測試，大約在2歲左右可以識(shí)別出自閉癥兒童，但此時(shí)進(jìn)行治療干預(yù)已經(jīng)錯(cuò)過了‘黃金治療期’。我們希望通過腦發(fā)育的基礎(chǔ)研究，更早識(shí)別、治療這些‘未解之病’，造福更多家庭?！睆埡f。

國產(chǎn)大裝備與國家前沿科學(xué)研究雙向“賦能”

近1000億個(gè)神經(jīng)元和100萬億個(gè)連接……研究人腦，高清圖像的數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)條件，研究嬰幼兒的腦部發(fā)育更非易事。嬰幼兒易動(dòng)，無法忍耐磁共振的噪聲和長時(shí)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(jìn)行全方位掃描，裝備搭載了基于人工智能技術(shù)的uAIFI‘類腦’平臺(tái)，不僅圖像高清，還可將掃描時(shí)間節(jié)省約44%，腦結(jié)構(gòu)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。”張寒說。

記者在這臺(tái)定制化的國產(chǎn)科研大裝備上看到，為適應(yīng)兒童的生理和心理特點(diǎn)，系統(tǒng)多個(gè)軟硬件都做了個(gè)性化的調(diào)整。來自聯(lián)影醫(yī)療的研發(fā)工程師團(tuán)隊(duì)，幾乎每天都和科學(xué)家們待在一起，第一時(shí)間響應(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嬰幼兒來說尺寸過大，我們就第一時(shí)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(dòng)?jì)雰夯蛘吒鼡Q掃描線圈就能一次性完成掃描?！甭?lián)影醫(yī)療董事長張強(qiáng)說。

產(chǎn)業(yè)裝備儀器和基礎(chǔ)科學(xué)“無縫”銜接，是一種雙向“賦能”。據(jù)介紹，這一前沿研究項(xiàng)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(shè)備和平臺(tái)，解決關(guān)鍵核心技術(shù)問題。

“技術(shù)的發(fā)展與前沿科學(xué)研究的進(jìn)步是相輔相成的，在國家重大前沿科研項(xiàng)目中，我們既要研究解決各種科學(xué)問題，也要帶動(dòng)國產(chǎn)設(shè)備核心技術(shù)的發(fā)展和突破，雙向‘賦能’?！鄙虾？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(jiān)

長期以來，高場磁共振醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的部件和整機(jī)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(lǐng)域的核心部件技術(shù)，曾獲2020年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“從基礎(chǔ)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(shù)反哺基礎(chǔ)研究，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)機(jī)構(gòu)、醫(yī)院深度合作，跨部門、跨行業(yè)、跨區(qū)域進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新。”張強(qiáng)說。

“我們很希望這個(gè)模式可以復(fù)制?！鄙虾Ｊ锌莆A(chǔ)研究處處長宋揚(yáng)說。2021年，上海市科委牽頭，正式啟動(dòng)“探索者計(jì)劃”，引導(dǎo)和鼓勵(lì)有條件的重點(diǎn)企業(yè)出資與政府聯(lián)合設(shè)立科研計(jì)劃，重點(diǎn)聚焦集成電路、生物醫(yī)藥、人工智能三大重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中的重要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，采用“揭榜掛帥”的方式，推動(dòng)自主創(chuàng)新。

“人腦的運(yùn)作機(jī)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(gòu)如何為人工智能算法賦能?這是中國腦計(jì)劃的特色?！鄙蚨▌傉f，希望通過研究，不僅能夠在腦科學(xué)領(lǐng)域取得激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，還能為國產(chǎn)大裝備實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)的自主可控提供契機(jī)，形成獨(dú)一無二的“中國腦計(jì)劃”。(記者周琳、孫青)