人类大脑含有数百种不同类型、总数达近千亿（10¹¹）个的神经元，神经信号经由神经元间的突触联接（总数约10¹⁴）所形成的神经环路进行接受、传递和处理。脑功能，诸如感知觉、学习、记忆、情感、意识等，涉及大脑多个脑区、多个核团和多种类型神经元群体之间的协作。因此，在全脑尺度上、在细胞甚至突触分辨率水平上解析神经联接的结构和功能，是揭示脑工作原理的重要途径。大脑是上亿年演化的结晶，其结构复杂而有序的精巧组织是动物适应和改造自然的优化产物，蕴含着必然的合理性、先进性和不可替代性。因此，揭示其组织规律和功能机制，不仅是理解大脑奥秘的必由之路，也将为发展类脑智能算法与系统、突破冯·偌依曼构架提供策略和思路。
    当前，脑科学研究处于关键的历史拐点，正从聚焦于研究局部脑区推进到在全脑尺度上探索神经系统结构的设计原理和神经信息的处理机制。在基因 - 信号通路 - 神经元形态与功能 - 神经环路等多个层次上，脊椎动物大脑的结构与功能具有高度的保守性，因此可以通过研究结构上简单的脑来剖析人类大脑的基本工作原理。斑马鱼是目前可以从全脑尺度上解读脑工作原理的模式脊椎动物，其大脑相对小而简单（体积约0.1立方毫米）、且又具有相当的复杂度（共含约10⁵个神经元和10⁸个突触联接）。目前已可实现从宏观（脑区分辨率）、介观（细胞分辨率）、亦或微观（突触分辨率）层面上，在全脑尺度上对斑马鱼大脑的结构和功能进行全面而系统的解析。
    本实验室运用跨学科交叉研究手段，通过在全脑尺度上对斑马鱼大脑结构和功能的系统性研究，旨在通过剖析10⁵个神经元如何通过10⁸个突触联接来产生各种脑功能与动物行为，寻找普适性的大脑结构的设计原理和神经信息的处理机制。同时，通过对多种研究方法的具体需求，合作研发一系列多学科交叉创新技术（包括基因编辑、生物探针、功能成像、大数据处理等）。进而，基于斑马鱼全脑结构和功能的实验研究成果，实现脊椎动物智慧大脑的全脑计算模拟，发展全脑计算模型、系统与理论。比如，斑马鱼捕食草履虫的过程，是一个充满智慧的过程，需要针对相对空间位置、场景等的不断变换，连续做出合理的抉择，从而发起恰当的运动。该捕食过程无论在智能程度、能耗、系统简洁度等方面，都是目前人工智能领域的典范AlphaZero系列无法企及的。捕食过程所涉及的神经原理，包括神经环路结构设计和神经信息处理，可应用于研发通用智能系统。因此，本实验室以斑马鱼为模型开展的神经系统研究，是一个全脑尺度上、多层次、多学科的系统科学工程，旨在揭示大脑运作的基本原理，并推动脑科学与类脑智能的融合和发展。即所谓“Small Brain, Big Mind”，小小斑马鱼，可以推动脑科学-智能技术新兴交叉学科的发展。
    针对上述研究目标，我们建立了既见“森林（全脑）、又见树木（神经元）甚或树叶（突触）”的研究策略，实现了对全脑神经元结构形态和功能活动的观测与调控，并同时记录动物的行为。实验室以视觉系统为核心，在感觉输入到运动输出的各个阶段，研究感觉信息处理、多感觉整合、感觉-运动转换和相关行为发生的神经环路与突触机制。其次，由于神经调质系统的活动与情绪、注意、学习与记忆等密切相关，并影响感觉输入到运动发生过程中每个环节的神经信息的处理。因此，我们还研究不同神经调质系统（包括多巴胺能、去甲肾上腺素能、五羟色胺能、乙酰胆碱能等）如何对感觉-运动信息处理产生不同的调节作用，并不断完善我们提出的Bi-Pathway Brain Function Hypothesis，旨在阐明动物适应性行为发生的基本理论。进而，绘制出斑马鱼全脑神经元活动的神经联接功能图谱、具有细胞分辨率的全脑神经联接结构图谱和具有突触分辨率的全脑神经联接结构图谱，旨在从全脑尺度上，在细胞和突触水平上揭示斑马鱼大脑结构的设计原理（即10⁵个神经元和10⁸个突触如何联接），并阐明神经信号处理的普适规律。
    大脑功能正常行使依赖于神经活动相关的脑代谢与脑血流之间精细的动态调节。神经元、胶质细胞和血管组成的神经-血管功能单元，其正常发育和功能是保证大脑正常工作的基础。目前，大脑血管网络以及血脑屏障是如何形成的仍是一个未解之谜。本实验室另外一个交叉研究方向是以斑马鱼为模型，运用分子和基因操作、活体成像、脑血管三维结构定量分析、以及神经科学研究相关手段等，研究脑血管三维网络发育和血脑屏障形成的宏观规律与微观机制，阐明脑血管与神经系统在发育和功能上的相互作用，尤其是神经活动对脑血管发育的调节。

近年来的主要研究成果包括：
1. 全脑尺度神经系统结构和功能研究
1）发现突触传递长时程增强存在于视网膜中，为视觉经验引起的视网膜神经环路的形成提供了突触机制（Neuron 2012a）。该工作被 Faculty of 1000推荐，和成果6合并入选2012年度中国科学十大进展的30条候选进展。
2）发现视网膜自发活动波起源于双极细胞，而非经典认为的无长突细胞，并阐明了其形成的突触和分子机制（Nature Communications　2016）、以及Müller胶质细胞的调控作用（Cell Reports 2019），为视网膜波起源这个视觉领域中长期悬而未决的问题提供了一个明确的答案。研究生获中国生理学会张锡钧基金会优秀论文奖、赛诺菲优秀青年科学家奖等。
3）发现视觉中枢神经元和小胶质细胞间的相互作用，揭示了小胶质细胞对神经活动具有稳态调节功能（Developmental Cell 2012）。该工作被同期杂志和Faculty of 1000点评，被Neuron期刊在二十五周年回顾中评为领域近年来最具有影响力的工作（排第一位），被认为是揭开小胶质细胞生理功能的奠基性工作，被本领域近几年几乎所有的重要综述引用。研究生获吴瑞奖和中科院院长奖等。
４）发现多巴胺能神经元和抑制性神经元组成的功能元件，控制视觉-运动转换和行为选择，揭示了视觉适应性行为产生的神经环路机制（Neuron 2016），该工作以亮度论文形式发表。研究生获吴瑞奖、中国神经学会张香桐神经科学优秀研究生论文奖等。
5）发现亮偏好行为的不对称性神经环路机制，揭示了左侧缰核在其中的关键作用（Neuron 2017）。工作以亮点论文的形式发表，并配以Video Abstract重点推荐。研究生获吴瑞奖、中科院院长奖、中科院优秀博士论文奖、长三角神经科学青年科学家奖、中国生理学会张锡钧基金会优秀论文奖等。
6）阐明视觉对听觉-运动通路功能和行为的跨模态调节的神经机制，发现丘脑多巴胺能神经元介导视-听整合的新功能（Neuron 2012b）。和成果1合并入选2012年度中国科学十大进展的30条候选进展。研究生获吴瑞奖、中科院院长奖、上海市研究生优秀成果奖等。
7）揭示了蓝斑神经系统在介导全身麻醉中的重要作用（Cell Reports 2018）。
2. 脑血管和血脑屏障发育及其神经调节
1）揭示脑血管网络的宏观发育规律及其机制，发现血流变化驱动血管修剪，简化脑血管三维网络结构，提高脑血流效率（PLoS Biology 2012）。工作被PLoS Biology、Nature和Faculty of 1000点评，被国际同行认为是近年来脑血管领域的一个重要突破。研究生获欧洲斑马鱼国际大会、Kloster Seeon国际血管发育大会优秀墙报一等奖等。
2）揭示大脑血管网络发育过程中，脑血管路径选择的细胞和分子机制。发现大脑血管内皮顶端细胞分支上机械敏感通道Piezo1介导的钙离子活动的频率高低决定了顶端细胞分支的收缩或伸长的命运，从而决定血管生长的路径选择和脑血管三维网络的形成模式（Neuron 2020）。该工作被同期杂志亮点点评。成果入选首届中国神经科学学会中国神经科学重大进展。研究生获蔡司斑马鱼研究优秀论文一等奖等。
3）揭示神经系统调节脑血管功能完整性的分子机制，发现神经元分泌的含有miR-132的外泌体被脑血管内皮细胞吸收后，通过调节血脑屏障相关蛋白的表达，从而动态影响脑血管的功能完整性，揭示了外泌体作为脑血管完整性的神经调节的一个新的载体（Cell Research 2017)。该工作被同期杂志亮点点评。
4）揭示血脑屏障的重要细胞成员-周细胞入脑的调控机制，发现血流通过血管内皮细胞表达的Piezo通道调控周细胞中的Notch信号，从而调节入脑后的周细胞增殖，促进血脑屏障的形成（Cell Reports 2024）。
5）揭示TRPC1在血管发育中的重要作用（Circulation Research 2010），论文被 Faculty of 1000推荐，并被当年度Circulation Research推荐为Must Read论文。
3. 创新研究技术
    为开展上述基础研究，实验室创建了多项国际领先的在体研究技术体系，相关方法已被国际同行广为采用，为相关领域发展起到了重要的推动作用：
1）全脑神经活动检测和调控技术：全细胞电生理记录（Methods in Molecular Biology 2016），清醒斑马鱼全脑所有神经元（10万个）活动检测和调控技术（Biomedical Optics Express 2018），大数据流（~ 500MB/s）实时处理系统实现全脑光学接口虚拟现实和全脑闭环研究新范式（Nature Neuroscience 2024，专利号ZL20231 0131178.9）；
2）探针研发：神经元多巴胺释放检测（Journal Neuroscience 2015），红外电压敏感纳米探针（JACS 2020，入选中国稀土2020年度十大科技新闻），红外钾离子敏感纳米探针（Science Advances 2020），新型遗传编码色氨酸探针（Cell Discovery 2023）；
3）基因编辑方法：内含子靶向的不影响内源基因的基因敲入（Cell Research 2015，专利号201510075155.6），大片段DNA置换（JMCB 2020），双色标记的条件性斑马鱼基因敲除新方法（Science China Life Science 2020，专利申请号2019112959299）；
4）软件系统：脑血管三维网络分析系统（PLoS Biology 2012，软件号201210017912.0），斑马鱼房信息化管理系统（软件号2021SR0236837）等。

    本实验室具有高度的学科交叉特性，拥有一支多学科交叉的年轻研究团队；成员特长交叉互补，擅长的技术领域覆盖从遗传、分子、细胞、电生理、在体成像、光遗传学、行为、电镜、信息科学、大数据分析、光学等多个学科。同时，与国内外近十家实验室建立长期稳定的跨学科合作，合作范围涵盖探针、光学成像方法、纳米材料、大数据快速采集和处理、连续电镜成像和重构、神经环路结构与功能网络重构、全脑结构和功能模拟等领域。毕业的博士生和出站的博士后近俞百次次获得多种国内外学术奖励，包括4人获吴瑞奖、3人代表中科院参加国际研究生论坛、11人获国际学术会议或学习班资助、15人在国际会议上做口头报告等；14人已在国内、外科研机构获得独立教职/PI。
    实验室长期以来形成了自由探索、鼓励创新的学术氛围；重点攻关、团队协作的科研模式；大胆假设、小心求证的工作作风；尊重信任、团结有爱的工作环境；因材施教、发挥个性的指导风格；德才兼备、以德为先的培养宗旨；挑战自我、追求卓越的奋斗目标。