活体脑成像不仅对精神疾病的病理研究、诊断和治疗有巨大的推进作用，也对心理学中揭秘神经活动与行为的关系提供了研究利器。但目前高性能成像设备依赖国外进口，国内缺乏自主研发，技术垄断情况严重。浙江大学斯科老师团队研发的“可穿戴高时空分辨脑信息分析仪”将帮助中国光学活体脑成像跨出重要的一步，各项参数都媲美甚至超越美国尖端产品。浙大西投脑机智能研究中心将推动这一科研成果转化为产品原型，杭州领脑科技将最终负责这一成果的产业化运营。
我第一次见到武泽楠这位年轻的项目负责人的时候，就觉得他有一种奇妙的魅力，外表纯净，但内里却有一种好似能喷涌而出的朝气和激情。当他谈论起光学和脑成像时，那种骄傲和自信使他熠熠生辉。此前，西湖区高国飞书记来访脑机中心的时候，偶然在光学实验室遇到了他，他立即就用平实易懂的语言向书记展示了成像仪，引起了对方浓厚的兴趣。
今天他将与我们分享解脑信息分析仪的源起和未来。
采访人：飔飔
受访人：武泽楠
项目的源起
飔：请问您是因为什么契机选择了研发光学成像系统的呢？
武：我本科时期主要研究的方向是减少光在生物组织内的传输过程中发生散射和畸变的影响，实现更深的成像深度，也算是这个领域。不过令我印象深刻的是在一次校招活动上，看到斯科老师展示的通过光遗传学的方式刺激小鼠的神经环路，小鼠就可以沿着特定的轨迹运动，大为震撼，就决定加入研究团队了。
飔：团队最早是为什么会开始做活体脑成像设备的呢？
武：在我刚刚加入团队的时候，团队内已经有大型双光子显微镜了，这个设备可以完成活体成像，但是必须把小鼠固定在架子上，头部也是被夹住的。但关于脑的奥秘，很多时候依赖于研究神经元的活动对生物行为的影响。
我们在美国的合作单位弗吉尼亚大学的Julius Zhu教授在研究健康与患病大脑的神经环路时提出了新的需求——在生物自由运动时完成活体脑成像。在经过一番调研以后，发现虽然市面上虽然有能够做自由运动生物脑成像的产品，但从美国采购这一套设备，需要耗资100多万。浙大段院士构建的生物实验平台购买了2套该设备，研究团队可租用。
飔：后来你们开发的成像系统与当时从国外采购的这套设备差异在哪里呢？
武：我们团队租用了该设备以后发现了几个问题。一是成像效果仍然不够理想。二是使用时只有经过训练的资深的专业生物学人员才能正常使用，生物专业的实习生基本不可能独立完成基本的搭建。早期，我们为了克服这一困难，自己外加了组件，从机械设计的角度对该设备做了改良，从而简化操作步骤，例如从不可调焦改良为可变焦。
飔：可变焦以后主要能帮助改善什么方面呢？
武：你可以想象，在实际应用于神经科学研究时，小鼠在两次成像中间，会根据实验要求做一些大幅度运动或是社交行为，固定显微镜的底座可能因此产生位移。如果不可调焦，那两次其实成像的部位就会发生偏移。对于操作比较生疏的人员，就很难再次准确对焦。
飔：所以一开始的方案是在国外的设备上加以改进，那是什么促动你们完全自行研发新的设备的呢？
武：确实原先我们是在硬件层面上改良美国的那套设备，但在实际运用过程中发现成像质量下降比较明显。而且因为是外加结构，整体微型显微镜就变得不那么“微型”了。因此，斯科老师决定由自己的团队重新从头开始做一套完整的系统，不仅可以简化操作流程，制作可变焦的设备，更可以提高各项参数性能。
飔：听说除了核心产品“可穿戴高时空分辨超微型显微镜”，微脑科技还会根据客户的定制要求提供一系列成像后的数据分析和处理服务。这样的成套解决方案的理念从何而来呢？
武：确实如此。在我们完成核心设备以后，也是从各大神经生物实验组收集意见，了解在实际应用中需要什么样的功能，我们会通过后期的算法提升目标客户在使用系统过程中的体验感。
飔：目前在基础神经科学中还有许多常见的观测神经信号的手段，例如神经电信号（峰电位，局部场电位等）、血氧水平变化。光学成像与这些手段有什么异同呢，例如时空分辨率、侵入程度等？
武：对于其他信号我可能理解有一定的局限性。就我所知，电信号是细胞膜电位的变化，而光信号检测的是细胞内钙离子浓度变化。我们通过给小鼠注入荧光钙指示剂来追踪它的神经环路，可以标记特定的神经元类型和所在的神经环路，空间分辨率可达1.6μm，可以观测到树突棘、神经递质释放等精细结构。侵入程度依据需要观测的部位来定，如果是类似丘脑、下丘脑等深部结构，那是需要植入透镜的，如果是皮层，就不需要。
飔：那如果希望观测不同的脑区，是否需要更换摄像头佩戴的位置？如果要同时观测的话，能否佩戴多个摄像头呢？
武：我们的空间分辨率很高，但是视场的大小大约为700 x 560 μm2。小鼠的皮层，哪怕是一个脑区也有几毫米，单个摄像头目前是无法观测整个脑区的。先前有其他团队做出过重5.5g的摄像头，当时依据他们的实验结果，对小鼠的活动是没有显著影响的。从理论角度，我们的摄像头不足2.5g，安装2个也是没有影响的。
飔：你第一次看到微型摄像头成的小鼠脑部图像是什么样的心情？
武：不瞒你说，我们的微型摄像头第一版成像效果并不是很好，所以第一次看到还是有点不那么兴奋的。在刚进组的一次组会上，我看到过大型显微镜的成像，那时候觉得很神奇，原来我们发生不同行为的时候，神经元是这样这样活动的。我们的第一版微型显微镜成像结果和那个相比差距还是比较大。不过我们很快就发现了问题所在，并做了改进。后来每次看到图像更清晰，都有一种难以言表的喜悦，感觉一整天都心情舒畅。现在我们的微型摄像头已经可以不输大型显微镜了。
飔：未来成像系统还会有什么样的改良和进化呢？
武：目前，可以看到摄像头是长条状的，是竖立在头部的，并且是有线数据传输。虽然有生物实验小组表明有线的设备对小鼠活动的影响较小，但我们将来还是希望做成贴片式的、无线的，那样就更加便携。
另外，我们也希望把目前的单通道改良成双通道的版本，可以观测静息态和活动状态两种不同的状态。
最后，我们团队在光遗传学的刺激的精准度上已经可以说是国际一流的了。在目前大多数的生物实验中，对小鼠的刺激主要来自于外界环境的变化，以此观测神经活动的变化和行为的改变之间的联系。未来的光学分析仪不仅可以对细微的脑区实时成像，也就是“读脑”上，也将可以加入“调控”设备，利用光遗传学干涉某个神经环路中的神经元，并实时观测光刺激带来的变化，看到神经环路中信息传递的过程。
飔：在研发过程中，和团队成员一起有什么难忘的经历吗？
武：我觉得做现在这个项目是很幸运的，我有朋友做仿真项目，相对涉及的面就比较窄，但是我们的项目时跨学科深度融合的项目，可以学到很多新鲜有趣的内容。
我在项目当中负责把握整体进程和项目导向，以及与光学设计相关的事情，但是算法、数据处理、后期的机械设计是由团队其他成员来完成的。和不同领域专业的人在一起，我深切感受到了跨学科交叉的优势。不单单是为了完成脑成像系统，需要合作，在整个项目推进过程中，知识储备也互相渗透，例如我也听了来自神经科学领域的组员介绍了神经信号的发生原理。原先做算法的同学只是拿到原始数据，做分析，但是经过多次交流，他们也理解了为什么原始数据会出现某些光学硬件带来的缺陷。
另外，在制作成像仪的过程中，因为需要对活动的小鼠进行成像试验，而小鼠对声音等外界环境比较敏感，就不得不在没有人影响的深夜进行试验，团队成员都好几次在夜深人静的实验室通宵。
项目推广的现状和未来
飔：你自己将来是希望把更多的精力投入在基础研究上还是产品化上呢？
武：我们可以在实验室搭建一条很漂亮的系统，可以有更好的创新设计，可以发文章，或许能成为未来研究的基石。不过就我个人而言，还是希望研发出具体的设备和服务方案，能够更实际地推动应用领域的进步。如果新的创新发明能产生级数增长的价值，我会觉得很有意思。以我自己的性格来说，或许不是特别能安安静静地潜心于科研，不如说我更希望能让我的想法落地，让研究成果变成产品，变成实际可以用的东西，进而产生效应，帮助药品研究所研制出更精准高效的药物，让神经及精神疾病患者受益，帮助基础神经科学的研究解开脑的奥秘。
飔：你如何看待光学活体脑成像的市场呢？
武：我们在起步上，确实落后于美国，但随着中国脑计划逐渐提上日程，我相信国内科研的需求还是很可观的。我国精神类疾病患者有1.73亿，每年抗精神疾病药物市场规模有209.65亿元，开颅手术有60万台，活体脑成像可以帮助理解病理，研发药物，指导手术。当然，之前在接触投资机构的时候，他们希望我们的产品可以有强大的2B市场，或者是消费级的2C市场。不过我相信，科研市场也是很大的需求，目前国家对科研经费也不吝啬，对脑科学的投入也逐步增强。我想，好的产品不仅仅能带来金钱上的利益，更重要的是推动人类社会的进步，这也是我们身为研究者的初衷。
飔：目前市场上，光学活体脑成像的竞争情况如何？
武：不瞒你说，我发表的微型显微镜的论文引用量也就80多次，国际上发表微型可穿戴式活体成像仪的相关论文大约就20多篇，从这个角度来说，在做相近系统的并不多。但是在做光成像的就比较多了，光成像目前的应用范围还是比较广泛的。我之前与临床研究的团队沟通过，发现实际他们的研究需求是发现患病群体与健康群体的神经活动差异，但是具体通过什么手段来反映这个差异并没有定数，这也是我们为什么不单单做设备，也做后续的定制化服务，依据用户所需要的特定应用场景去帮助用户设计解决方案。现在我们也已经与国内某药物研究所、检测机构签订了意向订单。
飔：你最希望揭开的脑的奥秘是什么？
武：我很好奇脑海中想象的画面在神经信号层面是怎样表现的。从接触脑科学开始，我就一直希望有朝一日，可以把人们做梦的画面或是想象的画面通过神经信号的解读，重建画面并投射在外部设备上。例如，我想找设计师帮我制作视频的时候，虽然我脑中有很漂亮的画面，但缺乏精准的言辞来描述它，如果通过对脑信息的分析，可以还原我脑中想象的画面，就能更容易地让对方了解我脑中所描绘的世界。
