绘制突触水平大脑联结图——自动化所建立纳米尺度高通量脑微观重建平台
谷歌的围棋人工智能程序AlphaGo和人类围棋冠军之间的比赛，堪称人工智能发展的一个重要里程碑，也让全世界的目光聚焦在人工智能这个热门科技领域。美国联邦政府高级情报研究计划署（IARPA，Intelligence Advanced Research Projects Activity）制定大脑皮层网络机器智能（MICrONS）计划，旨在逆向重建1立方毫米的大脑，研究大脑运行机制，并将研究结果应用于机器学习和人工智能计算领域。
殊不知，在中科院自动化所，也有这么一支队伍从事着相似的研究。他们与神经科学家密切合作，建立了高通量的纳米级突触水平神经大数据重建与分析平台，致力于破解神经微环路大数据量解析的限制瓶颈，提供完整的微观重建工程解决方案，在“纳米尺度、突触水平”上重建微观大脑，推开了绘制“微观大脑线路图”的大门。
填补短板——破解神经微环路大数据量解析的限制瓶颈
近年来，这一领域研究的进展迅速。国际期刊诸如Nature（2013）、Science（2014）、Cell（2015）、Neuron（2015）等先后发表了脑科学的进展成果。在生物学科和神经学科领域，科学家们正在试图绘制人类脑图谱，理解脑在整体上的工作机理，进而揭示神经认知退行性疾病的发生原理。而在智能科学领域，则要突破冯诺依曼计算机体系原理，构建出新型脑机智能技术体系，研发出低耗、高速、具备自适应能力的类脑神经元和神经网络芯片、新一代计算机及通讯网络、类脑智能机器人。
大脑皮层网络机器智能项目MICrONS 是奥巴马总统大脑计划（BRAIN Initiative）的一部分，试图将类脑计算的现状向前推进。该项目号称“大脑的阿波罗计划”，预计耗资1亿美元，招募了三个团队，领头者分别是哈佛大学、卡内基梅隆大学 和贝勒医学院的科学家，不同团队将尽力绘制出啮齿动物一立方毫米大脑皮层中的所有神经回路。其中，哈佛大学获得2800万美元，任务之一就是大脑将被切成极其细薄的片，并在先进的具备足够分辨率的电子显微镜下成像，看到脑细胞彼此连接而形成的所有的线状延伸。用哈佛大学教授Jeffrey Lichtman的话说：“这是一个巨大的挑战，它的规模类似于人类基因组计划。”
“从国际进展来看，由于工具的限制，大规模的突触层面的重构一直到最近两年才得以实现，但是大规模微观重建任务仍然存在数据分析通量偏低的瓶颈。”微观重建平台团队负责人韩华研究员介绍说。“我们将着力于突破限制大范围重建效率的诸多技术瓶颈，构建突触水平神经大数据重建和分析平台，提供完整的微观重建工程解决方案，填补中国脑科学和类脑研究在大范围神经微环路结构解析能力的空缺。”
按照规划的研究路线图，团队将围绕快速扩充脑微观结构重建平台分析通量的目标导向，完成基于场发射电子显微镜集群的脑微观结构分析实验室建设，大幅度提高神经科学领域现有脑微观结构主流分析软件的自动化分析能力，并着力于开发新的分析系统。“条件具备时，还将实施大规模的大脑微观重建工程，获取大范围神经微观结构数据，建立数据分析和共享系统，实现神经结构重建。”
软硬兼备——国内最高通量的微观重建平台
目前，平台已经具备了国内最高通量的切片成像能力，拥有超大视场高分辨率电镜显微技术、高效光电联合显微成像技术和大数据量显微图像处理技术，具备规模化显微成像能力和重建分析能力。
在团队所在的实验室里，30余套设备依次布开，场发射扫描电子显微镜、深紫外光学显微系统、原子力显微镜、X射线检查仪、能谱仪、探针台、RIE刻蚀机、镀膜仪、清洗机等。目前，该平台每天成像数据产生能力达TB量级，最快两周既可获得百微米尺寸（譬如果蝇脑蘑菇体）神经组织的成像数据。据团队中负责高速成像技术的李国庆博士介绍，实验室在十三期间将获得中科院修缮购置计划的支持，并与高速电镜研制团队合作，大幅提升重建平台的电镜数据通量。
进行突触水平神经环路三维重建所必需的技术研究，包括切片制备、显微成像、数据配准、三维重建等环节。各类大脑神经组织被切成极其细薄的片，在高度集成化的显微镜集群中成像，再通过智能化识别的软件平台，对神经大数据进行标注和分析以及三维重建，呈现出脑细胞彼此连接而形成的线状延伸，从而构建出一幅幅微观“大脑线路图”。
与国外科学家相比，自动化所的科研人员是从计算科学出发，融合借鉴神经科学的验证方式，对于产出的各类神经大数据能够更快速地进行处理。团队中负责重建算法研究的谢启伟博士介绍说：“我们正在努力构建突触水平神经大数据标注和分析平台，将实现基辅算法与机器学习高度自动化辅助，逻辑验证、启发式连接校对，人工劳动得到极大解放，具备PB级数据快速标注和分析能力。”届时，平台将集成自动化收集切片系统、规模化运转电镜集群、智能化识别软件平台，形成样品制备、自动切片、显微成像、图像合成、三维重建的标准化作业工作流程。
交叉融合——助力脑科学与智能技术卓越创新中心深度融合
2015年6月，中科院院长办公会通过“脑科学及智能技术卓越创新中心”建设方案。作为双依托单位，自动化所和上海神经所之间的交流畅通密切。而脑微观重建平台在这其中发挥着桥梁作用，是促进学科交叉融合的重要载体。
目前，平台面向脑科学与智能技术卓越创新中心的需求，结合神经科学研究的独特视角，积极搭建共享平台，促进卓越创新中心的学科交叉融合，为纳米尺度脑微观结构重建提供完整的工程化解决方案。在为自动化所神经网络微观重建提供技术支撑的同时，也为中科院上海神经科学研究所、中科院生物物理研究所、中国科学技术大学等单位提供了技术合作服务。
“初看起来，诸如大脑切片、标本制备、显微观测是神经科学的问题，而现在的问题是，一个神经元上有成千上万个突触，要对这些信息进行观察和分析，单靠神经科学传统方法是远远不够的，这已经转换成了海量数据的处理问题。”进一步的情况是，为了可以更加清晰形象的观察大脑联接结构，需要我们把这些成像结果进行三维重建，这已经超越了神经科学领域，而是信息科学领域的问题了。”“正因为这样，我们的合作才成为可能，经过实践，我们之间现在已经形成一种十分密切的战略合作关系。”
上海神经所所长蒲慕明院士领衔的一项课题，要对大脑连接结构进行观察以理解大脑工作机理，传统的做法是人工肉眼进行查找，“利用这种办法做这项工作好比大海中捞针，在平台成像基础上，我们对此进行了算法设计，能够高效自动提取，从百GB图像数据中快速获取数十个有效的突触数据。”
不仅如此，微观重建平台已经让双方之间达成了更加长远的合作共识。目前，上海神经所正在酝酿一项运动学习相关的研究，平台将承担这项研究中形成的大量成像数据采集和分析任务，进一步搭建起自动化所与中科院内所兄弟所在脑科学与智能技术融合方面的高速通道。
“中科院具备突破该瓶颈的研究基础和人才优势，结合国内神经科学研究的独特视角，联合国际先进显微技术研发力量，并利用国内人力资源相对成本优势，中科院有望在大体量的突触水平脑微观重建技术领域取得领先。”