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大脑星象馆:沉浸式脑科学科普新篇

2026-07-28 03:14 Tyler Sloan The Transmitter 阅读 0
核心摘要: 一位资深神经科学研究生Tyler Sloan受星象馆天文科普的启发,历时十年,成功将大脑的复杂世界搬上星象馆穹顶,制作出一部沉浸式脑科学电影。该项目利用Clarity等先进显微成像技术、3D动画以

大脑星象馆:沉浸式脑科学科普新篇

十多年前,在冷泉港实验室的一次会议酒吧里,一个想法悄然萌芽。当时还是神经科学研究生的泰勒·斯隆(Tyler Sloan)看到一位科学家用iPad展示的一段3D视频,视频中,一个经过组织透明化处理的胚胎脊髓中,神经纤维束清晰可见,仿佛在其中穿梭。斯隆回忆道:“我看到那一幕时的第一个念头是,我们需要把这个放到星象馆的穹顶上。”

这段视频标志着显微成像技术的一个转折点。Clarity等技术使完整组织的高分辨率成像成为可能,从而能够对大脑的较大体积进行成像,并以其宏伟的复杂性展现神经系统。斯隆受到星象馆天文放映中公众参与度的启发,希望利用这类视频激发人们对大脑同样的敬畏感。他开始学习3D动画,最终离开了学术界,创办了自己的公司,为科学家们制作复杂的视觉化内容。

然而,斯隆表示,所有这些努力都是为了实现他为公众制作一部沉浸式大脑电影的目标。这个想法萌芽十多年后,该项目终于开花结果:斯隆的星象馆电影于今年三月在西雅图为期一周的“脑科学节”(BrainFest)活动中首映。其他放映计划也正在进行中,包括十一月在丹麦神经科学学院的年会上。斯隆表示,他计划免费提供这部电影,并希望它最终能在世界各地的星象馆放映。

在一次采访中,斯隆指出天体物理学家在公众科普方面做得非常出色,通过互动式星象馆电影吸引了大量观众。他认为神经科学家可以借鉴这种模式,更好地激发人们的敬畏感。他以加拿大一个国家公园的天文台为例,那里的科普活动非常精心,有主持人、有“宇宙骑师”在后台操作电脑,在整个演示过程中不断展示图像。斯隆对学龄儿童提出的问题水平感到惊讶,这表明天文学在激发人们敬畏和好奇心方面取得了成功。他强调,这并非因为宇宙比人脑的运作更有趣或更美丽,而是因为天文学已在公众意识中占据了一席之地,而神经科学同样可以做到。

斯隆解释了如何将这一理念转化为一部神经科学电影。他与艾伦研究所(Allen Institute)和太平洋科学中心(Pacific Science Center)已经建立了合作关系,他们希望在年度“脑科学节”活动中制作一部星象馆电影。这提供了一个完美的契机,可以在相对较小的规模上进行测试,并根据其开放科学原则,创作出可以更广泛使用的内容。

制作一部关于大脑的星象馆电影需要什么?斯隆表示,这需要大量的数据、3D模型以及复杂的后端分析编程。由于他从事这一行业已有一段时间,因此对现有资源非常了解,并已与许多这类模型合作过。此外,他很幸运地住在离一家星象馆不远的地方,并认识那里的技术人员,他们慷慨地提供了时间,让他可以直接在穹顶上测试内容。

设计普通的3D动画(他公司大部分业务)与设计用于论文或新闻稿的静态图形截然不同。前者需要运用构图艺术,通过景深(depth of field)和突出显示(highlighting)等艺术效果,引导观众在视频过程中关注图像的特定子集。而从普通3D动画转向星象馆电影,则增加了另一个层级的复杂性。因为观众实际上是“嵌入”在3D场景中的,这需要完全不同的设计原则,必须非常注意运动。在行业中,他们称之为“呕吐测试”(barf test),即找到剧院里对运动最敏感的人,邀请他们观看电影的早期版本。如果物体移动过快,或者旋转太急,人们就会感到眩晕。沉浸在内容中的视觉效果是极具说服力的。

那么,这部电影讲述了一个怎样的神经科学故事呢?斯隆介绍道,影片以“当你看到流星时大脑内部发生了什么”为主题。它将观众带入一个熟悉的星空场景,然后放大到实际响应光的视网膜神经节细胞,接着开始观察大脑中的视觉中枢——信号通过大脑的实际视通路。这部分利用了弥散张量成像(diffusion tensor imaging)、MRI体数据及其他技术。影片的最后部分则通过数据声化(data sonification)技术,呈现了来自Eyewire 2项目和MICrONS项目的一些最新数据,这些项目提供了小鼠大脑的功能性连接组重建(functional, connectomic reconstructions)。他们利用光学生理学数据集创建了一个音频文件,为影片的最后阶段增添了神经活动的视听可视化效果。

这意味着观众可以听到动作电位吗?斯隆肯定地回答:“正是如此。”他们对小鼠执行任务时收集到的光学生理学轨迹(optical physiology trace)运行了尖峰检测算法(spike detector algorithm)。随后,对动物的大脑进行重建,并将光学成像信号与实际重建中的每个神经元对齐,从而实现了真实神经元放电的数据声化。

斯隆计划将这部电影免费提供给世界各地的星象馆,他认为这至关重要。他表示,由于这是此类项目的首次尝试,他们希望实现最广泛的覆盖和最大的影响力。这正是与艾伦研究所合作的真正优势之一,他们的开放科学理念非常明确。他们采用知识共享许可协议(Creative Commons license),其理念是允许本地团体添加新内容。例如,某个团体可以使用核心的介绍片段,然后添加一个关于记忆的五分钟部分,如果这是当地许多研究人员关注的领域。观众还可以更改语言——斯隆住在魁北克,所以需要一个法语版本。这种高度定制化确保了任何添加的内容也遵循相同的开放许可。如果这个项目如他们所愿发展壮大,最终将形成一个神经科学星象馆内容的资源池,全球3000多个穹顶都可以从中获取、混编并用于科普宣传。他们希望与当地科学中心建立合作,开展一种全新的科普模式。

斯隆通过与星象馆行业人士的交流了解到,他们对新内容的需求是持续不断的,并且正在努力拓展领域。他始终从神经科学的角度来阐述,因为这是他的热情和背景所在,但他认为,对于所有领域来说,利用这种沉浸式叙事方式来吸引更广泛的受众,都存在着非常有趣的机会。

许多科学家都对开展更多公众科普活动感兴趣。斯隆对此的建议是:我们目前依赖的许多面向公众的交流方式,最终都变成了高度简化的卡通示意图。但他认为,信任公众能够理解真实数据的趋势正在增长。天体物理学在星象馆电影中在这方面做得很好;他们通常展示的是真实数据、真实的星空普查和真实的模型。斯隆表示,在他的视频评论区,许多非科学家对他们所看到的内容感到震惊,因为那都是真实的。他认为,作为一个群体,我们应该超越简化,愿意分享更多真实数据;公众中有很大一部分人能够理解真实的数字、真实的价值和真实的数据。这些简化的插图未能充分满足他们的需求。

至于何时何地能看到这部电影,斯隆表示,具体的发布日期敬请期待。


参考文献: Tyler Sloan (interviewed by The Transmitter). A planetarium for the brain. The Transmitter, 2024.
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