1.来源与背景： 来源单位是广东省科学技术厅，省级投入3200万元。 课题背景：我国与其他国家的脑计划致力于神经环路的结构和功能解析及关键技术开发。本项目旨在促进脑科学发展并逐步产业化，通过提供工具系统来弥补现有研究方法在数据记录通量和调控精准度方面的不足。计划包括五个方向：1）开发新型细胞特异标记技术；2）创建活体大视场光遗传成像技术；3）研究柔性可拉伸光电极技术；4）探索柔性外周光遗传技术；5）发展无创超声聚焦环路调控技术。

    2.技术原理及性能指标： 本专项课题专注于大规模脑连接结构的解析与精准调控。开发了具有光遗传精准调控能力的显微镜设备，并研究了实用转基因病毒工具。课题三的电生理工具与结构解析密切相关，为新型调控技术提供基础。课题四和五开发神经调控工具，其中柔性外周光遗传和精准聚焦超声调控具有无创、微创且长期稳定特性。 项目实现了1项装置开发、4种技术研发，如环路示踪新技术、标记系统等，建立了示踪工具库，开发了5-10个细胞特异性标记技术。 体成像与光遗传技术能适应1-10厘米动物脑，视场≥1毫米，成像分辨率≥10微米，局部成像频率≥30帧/秒，光刺激位置精度≥10微米，时间精度≥1毫秒，同时刺激≥5个位置。 柔性光电极阵列能注射植入大脑，杨氏模量≤2MPa；无线电生理记录系统采样率20kHz，通道数32，重量≤3g，工作电流≤50mA，传输速率>5MB/s，存储容量≥32GB，通道数>512。 外周神经光界面研发了2种柔性光纤，直径100-1000微米，拉伸100%-700%，杨氏模量≤2MPa，导光损失≤1dB/cm，植入时间4周，可调控心率等。 超声辐射力发生器单阵元数256，焦距/深度5~10cm，频率0.5~5MHz，作用点数≥2，声强10~104 mW/cm2，脉冲重复频率10~1000Hz。

    3.技术的创造性与先进性： 本项目集成了分子细胞学、神经生物学、影像学、病毒学、遗传学、生物工程、化学和物理学等领域的基本原理和最新研究成果，建立了脑科学研究所需的工具。 通过柔性可拉伸材料制作三维网状神经电极，并采用新型技术植入，优化生物相容性，并实现大范围无线采集。同时，利用柔性光纤材料开发了外周可用的光遗传界面技术，并结合病毒注射实现外周的光遗传技术。结合新型跨颅超声辐射力仪器对神经环路和脑功能进行无创精准刺激和调控。 项目还实现了在小鼠到猕猴等多种模式动物的不同位置、较大范围的脑区进行三维扫描神经成像和刺激，一体化地调控和观察在体神经网络活动的变化。通过特殊镜头和远程聚焦技术实现快速三维双光子成像，高效监测更准确的结构和钙活性信息，为更精准研究大脑神经结构和功能提供有力手段。 此外，该项目计划结合材料学、物理学、工程学和神经科学的多学科优势，实现对外周神经组织的精确调控，并研究实验动物疼痛信号传导和调控的机制。 最后，项目还将研制新型跨颅超声辐射力深脑刺激与神经调控仪器，利用面阵列大规模阵元超声辐射力发生器产生强指向的辐射力，并利用时间反演技术将其跨颅骨投送到大脑深部区域的核团，实现对神经环路和脑功能的无创精准刺激和调控。

    4.技术的成熟程度，适用范围和安全性： 本项目研究了关键技术如结构和功能神经环路示踪工具、在体高速成像与光遗传一体化系统、柔性电极和光电极阵列记录、外周神经细胞特异性调控技术、超声神经调控等，并已形成8种病毒产品、高速成像系统、电生理系统、柔性光纤、超声系统等。8种病毒产品已完成开发，通过生产验证，实现小批量销售，技术就绪度8级。在体成像系统、电生理系统、海藻酸盐柔性光纤和超声系统均已完成样机或产品正样，功能、性能指标经第三方测试和用户试用验证，技术就绪度均达到6级。综合评价本项目技术就绪度达到6级，可以在神经功能环路解析和调控方面提供全方位的技术支持，并且本项目各项成果中，多数技术完全为自主研发且依赖国内制造工艺，并且多种技术已经在市场进行了验证和销售，总体技术安全性较好，仅有神经记录芯片等少量器件可能需要进口。

    5.应用情况及存在的问题： 本专项课题中，课题一与二紧密合作，研发了光遗传显微镜和转基因病毒工具，专注脑连接结构解析与精准调控；课题三是项目核心，研发电生理工具，与结构连接解析关联紧密；课题四与五研发新型神经调控工具，注重精准调控和长期稳定性，有助产业转化，同时项目还推动了大量新型科研论文的发表。 项目开展中遇到组织复杂、人员变动、合作团队选择和疫情影响等问题。解决方案包括召开项目启动会确保全貌了解；人员变更适应需求；引入优势外协单位如东南大学；并在防疫规定下全力推进科研，使用线上会议等方式及时进行沟通交流，保证目标顺利完成。

    6.历年获奖情况： 项目成员获奖情况：多位项目组成员获得重要学术奖项，例如项目成员胡海岚，2019年获第12届IBRO-Kemali国际奖，2019年获何梁何利“科学与技术进步奖”，2020年获第二届全国创新争先奖，孙金燕获2020年广东省科学技术奖科技进步奖二等奖（主要完成人）。同时，项目组成员近年获得一些重要的国家级、省部级项目，例如国自然重点项目、广东省杰青项目、中科院重点实验室项目等。