深耕视觉领域 助盲人重见光明——记浙江大学求是高等研究院教授陈岗

谢更好

陈岗

2020年本就是一个特殊的年份。对于浙江大学求是高等研究院教授陈岗来说，这一年尤其特殊：他和同事研发的红外神经刺激功能磁共振整合技术被评为2019年度中国十大医学科技新闻之一；他的研究获得了浙江大学林百欣高科技奖二等奖。这些荣誉是对陈岗科研成果的肯定，某种程度上也是他童年梦想实现的佐证。

陈岗自幼年起就对如何能够看见外界的世界，或者说对视觉领域有着浓厚的兴趣。陈岗的叔叔因为幼年时斜视没有及时得到治疗，导致左眼几乎看不见东西。陈岗小时候也查出来患有斜视，在上海五官科医院及时进行手术后恢复了正常的双眼和立体视觉。自身的经历，让他体会到通过视觉了解外界世界并不是理所当然的，多种眼疾都会对视觉能力产生重要的影响。后来，陈岗了解到视觉神经生物学家Hubel和Wiesel发现视觉发育中有一个名为“关键期”的时间段。如果斜视没有在这个关键期中给予及时治疗，就会导致单眼功能失常。他们因此获得了诺贝尔生理学和医学奖。

“我叔叔小时候，还没有这个发现，没有得到及时治疗。而我的双眼视觉就是因为视觉神经生物学家的工作而得以恢复。”陈岗对科研工作者的敬意油然而生，能够成为一名科学家就成了他从小的梦想。

1994年，陈岗顺利考入南京大学生命科学学院，踏出了成为科学家的第一步，从此一步一步走进了视觉研究领域。

铭记教诲 不断向前

1998年9月，陈岗来到中国科学院上海生命科学研究院，加入了李朝义院士的实验室攻读博士学位。如果说本科的学习为陈岗的科研打基础，那么读博士则加速了他科研的腾飞。

李朝义院士是我国视觉领域著名的专家，他经常教导学生，作为科研工作者不能满足于只在工作时关注研究，还应当把科研当成一种爱好，在工作和生活中不断思考，才能不断进步。“前年，李朝义院士因病离开了我们，但我会始终牢记他的教诲，将我正在进行的研究工作不断向前推进。”陈岗直到现在还很怀念李院士，导师的教诲让他深耕科研，丝毫不敢懈怠。

博士就读期间，陈岗在李朝义院士和时任研究所客座研究员、美国科学院院士丹扬教授的悉心指导下，对初级视区中视觉神经细胞的整合野动态特性进行了研究。传统认为视觉神经细胞只对感受野中的视觉刺激有反应。整合野是位于感受野外对感受野中的反应有调制作用的区域。绝大部分有关整合野的研究，都是对于这个刺激之后数秒钟内平均分析的结果，无法获得时间变化特性。陈岗通过结合使用呈现在方位视觉亚空间中的快速变化的视觉刺激和反向相关数据处理方法，发现整合野的参与对视觉细胞的动态方位选择性有显著影响。整合野显著提升了视觉信息的整体编码能力。陈岗的这一新发现为解释整合野在视觉信息处理当中的重要意义提供了新的实验证据，被作为封面文章发表在生理学研究领域最好的国际杂志之一Journal of Physiology上，也被分布于五大洲的研究机构所引用。

通过首次引入整合野的动态特性，将原有的对空间域的研究拓展到了时间域，这为计算神经生物学领域建立更接近真实的数学模型提供了新的重要实验依据。美国康奈尔大学、明尼苏达大学、英国伦敦大学等高校、机构的10多个研究组在建立视觉系统神经模型时，都整合了陈岗的这一发现。

陈岗读博士期间，有件事对他影响很深，直到现在都让他记忆犹新。那是1999年，中国科学院与美国科学院院士蒲慕明先生创立了我国最大的、覆盖领域最全面的专门性脑科学研究机构——中国科学院神经科学研究所，陈岗幸运地成为该研究所的首批研究生。

蒲慕明全面改革了我国在神经科学领域的研究与教学模式，使国内就读的学生有机会充分了解世界最新的神经科学前沿，并有条件使用世界一流的脑科学研究设备开展研究。这为陈岗之后的研究确立了一个很高的起点。

在神经科学研究所，陈岗还参与了使用磁共振脑成像和光学脑成像来解析神经功能环路的研究尝试。当时，脑科学研究的这两个重要实验手段和相应的设备尚在发展中，最终没有取得预定的研究结果，但这对陈岗此后的研究方向产生了深远的影响。

马不停蹄 赴美工作

古人说，学海无涯苦作舟。陈岗深知科研没有止境，他必须勤奋刻苦。2005年，在获得博士学位后，他又马不停蹄地加入了美国范德比尔特大学，继续他在视觉领域的研究工作。

之所以选择范德比尔特大学，陈岗有他的考量。范德比尔特大学有一个包含60多个研究组的跨学院、多学科的视觉研究中心，管理着全美灵长类品系最全的用于认知科学研究的实验设施之一。而且，范德比尔特大学成像中心是美国最大的研究用途的磁共振成像中心之一。这些优越的条件，让陈岗的科研如虎添翼，他在该校期间的研究发现为视觉研究领域做出了重要贡献。

陈岗在范德比尔特大学文理学院任职期间，通过与美国人文与科学院院士Anna Roe教授合作，将研究工作拓展到了次级视区的神经环路机制。陈岗此前的研究是在初级视区，而次级视区是一个更为高级的视觉脑区。在次级视区，陈岗和同事结合高分辨率的内源性光学脑成像和电生理实验手段，发现具有相似远近感觉的视觉神经细胞和具有相似视觉运动特性的视觉神经细胞都存在着明显的聚集分布趋势。这是首次有实验证据支持在次级视区中存在有专门处理立体视觉和视觉运动信息的视觉功能结构。这一发现发表于知名的神经生物学杂志Neuron上，并被认为是显著改变了人们对立体视觉和视觉运动信息处理脑机制的理解。陈岗的这些研究成果，不仅被知名综述杂志Nature Reviews Neuroscience和Annual Review of Psychology所引用，还被纽约大学的“Visual Neuroscience（视觉神经科学）”研究生课程指定为阅读材料。陈岗和他的同事还一同受邀为神经生物学界最权威的参考书之一——美国Academic Press出版社出版的《神经生物学大百科全书》，撰写了相关章节的综述来介绍这些新发现和总结这个领域的进展。

与李朝义院士在视觉实验室中讨论研究方案

后来，陈岗加入了范德比尔特大学成像中心，转任该大学医学院放射学系讲师和成像中心教员。此时，通过与成像中心主任美国工程院院士John Gore教授合作，陈岗的研究领域进一步拓展到了超高磁场磁共振脑成像技术研究。陈岗具体负责了一台灵长类动物专用超高磁场磁共振系统的运作。通过使用特殊的磁共振序列、特别优化的磁共振兼容固定装置以及新训练范式来提高磁共振脑成像的图像质量和稳定度，成功地将成像精度提升到显微成像水平。这是全球首次使用磁共振成像手段在清醒受试者的大脑中定位全部六层脑皮层结构、揭示亚毫米功能构筑和获得超高空间精度下百微秒级时间分辨率的功能图像。陈岗的研究结果表明超高磁场磁共振的成像精度远高于一般医用磁共振系统能达到的空间和时间精度，显著拓展了这种无损的脑成像技术——磁共振脑成像在基础科学研究和临床诊断及治疗中的应用范围和领域。这一研究结果发表在成像学领域权威杂志Neuroimage和医学影像学专业杂志Magnetic Resonance Imaging上。

在范德比尔特大学工作多年，陈岗表示：“给我留下最深刻印象的是多学科交叉和交流对于现代前沿脑科学研究的重要性。”传统上，我国按照一级学科来划分设立学院，在单一学院当中实现科研和教学功能，学院的独立性较高，但这有时会成为多学科交叉和交流的瓶颈。范德比尔特大学在设立类似我国一级学科的文理学院、医学院和工程学院之外，还有很多由多个学院教授组成的、具有相对集中研究方向但学科不同的跨学科研究机构。

“比如我曾经工作过的视觉研究中心和成像中心。”陈岗举例说，研究人员仍是学院的成员，但研究中心具有相对独立的研究设施、研究场地和支持人员及设备，能够实现关联学科群的汇聚性研究。

在范德比尔特大学多年的工作，为陈岗的科研提供了很多有益的经验，也为他顺利开展之后的工作打下了坚实的基础。

以梦为马 加入浙大

2014年，陈岗已经在美国工作、生活了将近9年时间，此时选择回国加入浙江大学求是高等研究院，与两位师长有密切的关系。

“时任浙江大学医药学部主任段树民院士，是我在研究生就读期间就熟悉的师长，他向我介绍了浙江大学”，陈岗说。浙江大学是首批“985”和“双一流”大学，有着围绕脑认知科学为中心的齐全的生命、工程、医学、信息和心理等关联学科群，综合脑研究实力在我国处于领先地位。浙大的脑科学研究包括教学、临床和科研中心三位一体的架构，共有8家附属医院，能开展全谱域的脑疾病诊断和治疗。为了突出多学科的交叉研究优势，2006年，浙大成立了校设直属科研机构——求是高等研究院，围绕神经工程等交叉领域开展前沿研究。为进一步加强浙江大学在脑高级认知功能领域的研究力量，2013年，求是高等研究院又成立了系统神经与认知科学研究所，聚焦脑高级认知功能网络，重点探索脑功能和脑疾病的网络机制。

“时任求是高等研究院常务副院长郑筱祥教授也向我详细介绍了求是高等研究院的情况。”陈岗了解到，求是高等研究院与临床研究高度整合。

浙江大学在脑科学领域的研究布局与陈岗的研究兴趣和工作经历相符，而理解视觉的脑机制，进而能帮助盲人重见光明，一直是陈岗的理想。因此，加入浙江大学求是高等研究院和系统神经与认知科学研究所，成立自己的实验室，成了陈岗的理想选择。

加入浙江大学后，陈岗具体负责系统神经与认知科学研究所的建设。“建设过程中遇到了一些困难，很多情况不是一个人或者单独一个实验室就能解决的，而是需要一个团队来合作处理。”陈岗说，在负责超高磁场磁共振平台的建设时，超高磁场磁共振系统的主机有40多吨重，超过了校区道路的预定设计标准，设备的高度也超过了校区大门的高度。学校设备处和后勤管理处的老师放弃休息，在很短的时间内就完成道路方案确定、路面加固；完成了多个实施方案，其中一个方案甚至有为保证安装时间节点，把校门临时拆除的计划。最后，通过科学安排，主机被顺利地运抵安装区域，保证了系统的安装进度。超高磁场磁共振系统平台在建设中获得了学校、校内各级机关，以及求是高等研究院、生物医学工程与仪器学院、医学院及医学院附属医院的全力支持。吴朝晖校长还亲自解决很多相关的问题，如在磁共振系统进口报关遇阻时，亲赴海关进行协调。

视觉实验室研究团队成员

系统神经与认知科学研究所的建设得到了全方位的支持，建设速度和效率明显好于美国同类研究设施的进度，其中超高磁场磁共振系统的土建、架设和调试几乎完全按预定的时间表完成，可能是世界上用时最短的此类系统安装案例。“这体现了浙大人勤与诚的特点，良好的团队合作精神。给我这个新浙大人树立了良好的榜样，同时也给出了一个很高的标准，督促我在工作中要时刻高标准严格要求自己”，陈岗说。

在求是高等研究院和系统神经与认知科学研究所，陈岗很快就成立了视觉实验室，这是研究所最早成立的研究组之一，初始具体负责两大前沿脑研究平台——超高磁场磁共振脑成像平台和灵长类动物实验平台的建设。

超高磁场磁共振脑成像平台有一流的硬件配置，配备了我国首台主动屏蔽7特斯拉超高磁场磁共振系统，并且已经与世界上主要的国际超高磁场研究中心建立了合作机制，共享最新硬件与序列进展。

“我们在建立超高磁场磁共振平台后，依托这个研究平台发展具有鲜明浙大研究特色的百微米精度高精准脑功能结构定位。”陈岗说，近期将重点开展百微米尺度的全脑“客观”功能链接图谱的绘制。

美国基于脑区间的相关性来“主观”定义功能链接，已完成第一阶段研究的人脑链接图谱。与美国的研究不同的是，陈岗使用高靶向脑功能调控来“客观”判断脑区间和脑区内的功能链接。美国的计划受制于启动时的技术限制，目标只是毫米尺度的图谱，而陈岗正在开展的研究将会把空间分辨率提高一个数量级，通过结合功能柱精度的脑功能结构定位，实现对百微米尺度的链接图谱的精确绘制。

通过与系统神经与认知科学研究所的王菁教授和张孝通教授合作，陈岗已经对视觉脑区和触觉脑区的精细链接图谱进行了跨脑区三维初步绘制，验证了技术可行性，初步结果发表在Science子刊Science Advances上。该研究成果入选2019年度中国十大医学科技新闻。

另一个陈岗主导完成的前沿脑研究平台是灵长类动物实验平台，能够容纳200只猴，已经成为专注于认知科学研究的、亚太地区最大的、品系最全的灵长类研究中心之一。“猴不仅具有与人类相似的神经通路，而且具有与人相近的感觉与认知能力。此外，猴作为一种实验动物，适宜开展更为丰富的大脑记录和干预研究。”陈岗说，依托该研究平台，他与研究所同事集中发展了两项跨越式的核心脑研究新技术。其中一个是在优化扫描序列和成像硬件后，使用超高磁场功能磁共振脑成像，突破了现有的毫米尺度的功能磁共振脑成像的空间分辨率瓶颈，实现高精准的百微米精度的脑功能结构定位。具有突破性的是，该研究把读心术的空间分辨率，从毫米尺度提高了一个数量级，达到了功能柱水平。另一项脑研究新技术是发展了新一代的光学脑调控技术，特别是使用无外源标记物的红外神经光学脑干预技术，发展了对神经环路的高靶向性脑功能调控。该研究使浙江大学的控脑术技术水平提升到了功能柱尺度，神经环路干预效率和精度居于世界领先。

据悉，研究所建立至今已开展获得国家重点研发计划，国家原高科技研究发展计划（“863”计划），国家自然科学基金国际合作项目、重点项目、重点支持项目、重大研究计划等基金支持的研究项目。

直面艰难 信心依然

国际卫生组织2019年发布了视觉白皮书，指出全球有超过4000万的盲症患者。年龄相关性黄斑变性、视网膜色素变性等多种眼病目前尚无有效治疗方法。

“人工视觉装置可替代病变组织向视觉皮层传输信号，是最佳的复明治疗方案。”陈岗说，国际上已有的人工视觉装置商用产品仅能提供较粗糙的视觉，新型号提高了植入体电极数，但难于长期维持有效写入带宽，视觉重建效果不尽人意，仍位于世界卫生组织定义的盲症标准内，既“看不清”也“看不广”，尚未实现真正意义上的“脱盲”。现有的技术瓶颈是如何提高长期有效写入带宽，本质是因为缺乏对人工装置传递视觉信息的具体形式和脑机制的理解。

陈岗目前的研究，正是围绕新型类脑人工视觉假体构建，在深入理解视觉的神经机制的基础上，发展新一代视觉脑机接口技术，实现高质量的人工视觉功能重建。通过整合多种高通量脑干预新技术，实现对视觉皮层功能结构的精准定位和精确调控；实现可控重建多种视觉特征信息，包括图像的朝向、方向、深度、颜色、亮度等；实现具备各主要视觉图像特征信息的人工视觉，完成具有丰富层次的视觉重建。

著名的盲人作家海伦·凯勒在《假如给我三天光明》中写到，“有视觉就能观看喜爱的戏剧、电影和风景，你可曾想过能享受到色彩、美景与动感的视觉是一个真正的奇迹。”把海伦梦想中的奇迹变为现实，是陈岗最终的科研目标。据此，他以后科研的方向，就是通过学科交叉研究，将实验成果与临床等应用方面结合，实现对现有不可治愈眼疾的根治，重建视觉进而治愈盲症。

虽然陈岗内心非常清楚，最终治愈盲症不是5到10年内就能完全实现的，而是一场持久战，但是他依然抱有坚定的信心：科技的力量可以创造“奇迹”。