新闻资讯 · 2022年 8月 12日 0

【Telegram中文版】探秘“终极疆域” 国产科研大装备赋能中国脑计划【Telegram中文官网】

新华社记者 周琳 孙青

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在上海科技大学生物医学工程学院地下一层,一台国产科研大装备——高度定制、用于脑科学前沿基础研究的3.0T磁共振系统,正在采集志愿者的脑影像。

这是国家科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目的一部分。产学研医四方携手攻坚,首次使用国产高端磁共振赋能中国脑计划,将绘制中国首个婴幼儿动态脑图谱和发育轨迹,为儿科临床、类脑与人工智能等科技前沿提供基础支撑,推动国产科研大装备产业突围与发展。

首次给中国婴幼儿的大脑“画地图”

对人类大脑的研究,被称作是自然科学的“终极疆域”。

“根据世界卫生组织《全球疾病负担研究》显示,在全球范围内,5岁以下婴幼儿中平均每49.5人就有1人患有脑相关疾病,如自闭症、多动症、发育障碍等;在中国,早产儿筛查异常率高达18%。但是,科学家们对这些疾病的发病原因、如何早发现早治疗,都一知半解。”上海科技大学生物医学工程学院婴幼儿脑发育影像实验室主任张寒说。

作为上述大科学计划的一部分,“婴幼儿脑发育队列”项目近日在上海科技大学正式开题,将聚焦婴幼儿早期发育阶段大脑结构、功能、连接的重大变化,建设中国首个0至6岁正常发育婴幼儿聚合交叉大队列,绘制中国首个婴幼儿动态脑图谱和发育轨迹,并开展前沿技术和发育机制研究。

与成年人发育成熟的大脑不同,新生儿出生第1年大脑发育速度极快,大脑容量和形态特征快速变化,这对数据采集、成像技术和数据分析技术均提出了更高要求。哪怕此前已经积累了大量研究,但基于成人大脑的技术对婴幼儿大脑图像的适用性也非常有限。

精准的测量和分析婴幼儿早期脑发育图谱和发育轨迹,可以为早期识别诊断甚至治疗婴幼儿相关疾病提供关键依据。

“医生通过行为测试,大约在2岁左右可以识别出自闭症儿童,但此时进行治疗干预已经错过了‘黄金治疗期’。我们希望通过脑发育的基础研究,更早识别、治疗这些‘未解之病’,造福更多家庭。”张寒说。

国产大装备与国家前沿科学研究双向“赋能”

近1000亿个神经元和100万亿个连接……研究人脑,高清图像的数据采集是基础条件,研究婴幼儿的脑部发育更非易事。婴幼儿易动,无法忍耐磁共振的噪声和长时间扫描,往往只有在睡眠状态才有可能采集到高质量的数据。

“我们引入了国产科研大装备——3.0T磁共振uMR 890进行全方位扫描,装备搭载了基于人工智能技术的uAIFI‘类脑’平台,不仅图像高清,还可将扫描时间节省约44%,脑结构成像噪声降低约28%至34%,极大提高了婴幼儿脑影像数据采集效率和成像质量。”张寒说。

记者在这台定制化的国产科研大装备上看到,为适应儿童的生理和心理特点,系统多个软硬件都做了个性化的调整。来自联影医疗的研发工程师团队,几乎每天都和科学家们待在一起,第一时间响应科研需求,随时进行设备的调整和升级。

“成人扫描磁共振所使用的线圈对婴幼儿来说尺寸过大,我们就第一时间开发了婴幼儿头颈脊柱联合线圈,把线圈内径从26厘米减少到适合婴幼儿体型的18厘米,线圈更紧密贴合成像区域,扫描图像更清晰。为了让科研人员采集数据更便利,我们让线圈轴向覆盖范围更大,这样扫描过程中不需要移动婴儿或者更换扫描线圈就能一次性完成扫描。”联影医疗董事长张强说。

产业装备仪器和基础科学“无缝”衔接,是一种双向“赋能”。据介绍,这一前沿研究项目,不仅聚焦“0至1”的原始创新,还将继续联手高端医疗装备产业公司,共同开发适用于脑智发育研究的智能化、高性能的成像设备和平台,解决关键核心技术问题。

“技术的发展与前沿科学研究的进步是相辅相成的,在国家重大前沿科研项目中,我们既要研究解决各种科学问题,也要带动国产设备核心技术的发展和突破,双向‘赋能’。”上海科技大学教授、生物医学工程学院创始院长沈定刚说。

探索产学研医四方携手攻坚

长期以来,高场磁共振医学影像设备的部件和整机制造被外企垄断;国产高端设备支持前沿科学领域研究,更是难上加难。此次使用的3.0T磁共振科研装备,因全面掌握这一领域的核心部件技术,曾获2020年度国家科技进步奖一等奖。

“从基础创新的最先一公里走到产业落地的最后一公里,再从产业技术反哺基础研究,最重要的是产学研医四方的携手,企业与高校、新型研发机构、医院深度合作,跨部门、跨行业、跨区域进行协同创新。”张强说。

“我们很希望这个模式可以复制。”上海市科委基础研究处处长宋扬说。2021年,上海市科委牵头,正式启动“探索者计划”,引导和鼓励有条件的重点企业出资与政府联合设立科研计划,重点聚焦集成电路、生物医药、人工智能三大重点产业在发展中的重要科学问题和关键技术难题,采用“揭榜挂帅”的方式,推动自主创新。

“人脑的运作机理是什么?特定脑疾病是发生什么病变引起的?人脑的结构如何为人工智能算法赋能?这是中国脑计划的特色。”沈定刚说,希望通过研究,不仅能够在脑科学领域取得激动人心的发现,还能为国产大装备实现核心关键技术的自主可控提供契机,形成独一无二的“中国脑计划”。