亞太科學家聯手挑戰繪製人類全腦神經圖譜圖:SYNAPSE 聯盟於新加坡揭幕啟動

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 15 日 16:17 | 分類 AI 人工智慧 , 市場動態 , 醫療科技 follow us in feedly


台灣科學家提議創立的 SYNAPSE(Synchrotrons for Neuroscience – An Asia Pacific Strategic Enterprise),目標在 3 年內利用超高解析度的 X 光三維成像技術及超大型計算設施,繪製第一個超高解析度人類大腦全腦神經細胞及網路連結圖譜。

胡宇光特聘研究員服務於中央研究院物理研究所,在科技部卓越領航計畫、中央研究院以及國家同步輻射中心等長期支持下,積極推動國際合作,這次於新加坡國立大學(National University of Singapore)舉行亞太六國人腦圖譜合作計畫簽約儀式。目前聯盟發展成包括新加坡、澳洲、中國、日本、南韓和台灣六個同步輻射光源及神經科學、計算科學、物理、化學、工程的各類型研究單位數百名科學家參與的國際研究網路。

胡宇光教授和清華大學的江安世教授將帶領的台灣研究團隊,整合國家同步輻射研究中心(NSRRC)的先進同步輻射光源、國家高速網路計算中心(NCHC)與其他學術及應用研究單位,基於過去長期的研究經驗及成果,將負責構建人類全腦及小鼠全腦圖譜最重要的影像擷取、處理、工作協調及資料管理。SYNAPSE 聯盟於今天在新加坡正式成立,並由創始成員簽署第一份研究備忘錄,共同努力於 2023 年前領先全世界,完成首張人腦全腦次細胞層級解析度的神經網路圖譜。

使用強大的三維 X 光顯微成像技術進行次細胞層級的人腦神經網路成像配合超高速的超大型運算,SYNAPSE 聯盟預計於 3 年內完成第一個人類全腦神經網路的三維圖譜。隨著其他模式實驗動物圖譜完成,巨大的資料必將推進困擾健康醫療的腦病變研究與有效治療。研發的新成像和計算技術也將為生醫影像和先進的超大型運算提供新策略與研究方向。

每個參與此項計畫的同步輻射設施,將負責拍攝同一個人腦中某區塊的影像取像工作。利用同步加速器提供完全相同 X 光的條件下,以 0.3 微米的解析度及每分鐘 1 立方公釐的取像速度,取得三維的影像資料,交由計算中心進行神經網路繪製。與現行有類似解析度的三維影像取像技術,例如超解析度可見光顯微鏡或電子顯微鏡等相比,X 光三維顯微成像技術取像及處理速度快 10~100 倍以上。胡宇光教授估計,只要大約 4 年,SYNAPSE 團隊就能繪出第一個人類全腦的神經細胞及連結的神經網路圖譜,而若利用其他方法可能終其一生都無法完成。

使用 X 光斷層顯微掃描術繪製人類全腦神經網路連接結構圖譜外,SYNAPSE團隊也將使用例如 X 光奈米斷層掃描術、紅外線光譜顯微術、超解析度可見光三維顯微術和低溫電子斷層掃描顯微術等其他先進生醫影像技術,對選定的腦區進行更深入的成像研究。整合這些方法將提供整個大腦的超微小結構細節,並以類似 Google Earth 圖像連續放大的方式,對所有的神經網路細節進行分析研究。

人類大腦定位的過程將會產生大量研究數據,因此 SYNAPSE 成員今日將一起簽署第二份研究備忘錄,以共同建構一個高效率計算網路有效處理、收集、共享和分析所有數據。台灣國家高速網路計算中心(NCHC)的運算能力是提供 SYNAPSE 聯盟數據網路的關鍵單位之一。NCHC 將運用台灣最先進的高效電腦和高速國際網路,參與 SYNAPSE 的合作計畫。

SYNAPSE 團隊將增進我們對人腦結構及各種結構組成的理解,闡明人腦的正常功能,並幫助確定腦部疾病的原因。聯盟創始人之一、新加坡國立大學劉建明教授(Chian-Ming Low)表示:「由於腦部疾病在全球對人類醫療保健造成的影響越來越大,大腦圖譜研究必須盡速加以推動。SYNAPSE 聯盟計畫以空前取像速度、解析度和分析能力挑戰人類全腦神經圖譜的繪製。這個計畫產生龐大的全腦神經圖譜,將應用於了解神經元如何連接及如何相互作用的研究,以及這些病變如何影響認知能力和智能的研究。我們的發現可能有助於有效治療重要的神經退化性疾病,例如阿茲海默症和其他失智症。」這也為聯盟在醫療保健方面的重要性做了最好的註解。

除了直接參與研究的亞太區域的科學家,也邀請包括歐美科學家組成國際諮詢委員會,藉由委員在神經病理學、電生理學、細胞生物學方法和影像學方面的卓越成就及國際聲望,支持 SYNAPSE 計畫的研究方向並確保科學卓越性。

諾貝爾獎得主 Kurt Wüthrich 教授和 Ada Yonath 教授也受邀出席並見證 SYNAPSE 的兩份研究備忘錄簽署儀式和正式啟動合作研究,並和參與的研究學者分享對 SYNAPSE 計畫和同步輻射研究國際合作必要性的思考。

研究團隊研究從 2003 年起長期接受國科會及科技部的奈米國家型計畫、卓越領航計畫、江安世教授的前瞻研究中心等計畫支持。此外,科技部並連續獨立投入經費支援於新造台灣光源建造腦成像專屬光束線。在應用目標並未完全呈現時,科技部就提供穩定大量支援基礎研究,使研究團隊之從得以從 X 光成像的基礎研究著手,進一步利用獨特的研究成果發展針對生物系統的 X 光三維顯微成像技術,累積充分技術優勢,最終得以證明此技術有足夠的性能指標,以突破腦成像解析度及成像速度的瓶頸,並吸引國際其他同步輻射設施,放棄設施科學競爭之基本任務,以最小風險的方式,共同朝單一科學目標合作。