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我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)化學(xué)信號(hào)與電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬

2023-01-14 15:46:29 來(lái)源：光明日?qǐng)?bào) 分享

(資料圖片僅供參考)

類(lèi)腦研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，但大部分研究設(shè)備只能“捕捉”到大腦發(fā)出的電信號(hào)，卻無(wú)法獲得化學(xué)信號(hào)。來(lái)自中科院化學(xué)所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、湘潭大學(xué)及北京師范大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種聚電解質(zhì)限域的流體憶阻器，并利用單個(gè)器件首次實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號(hào)與電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬。

這一研究有望推動(dòng)人類(lèi)對(duì)大腦“化學(xué)語(yǔ)言”的讀取和交互，為發(fā)展神經(jīng)智能傳感、類(lèi)腦智能器件和神經(jīng)感覺(jué)假肢等提供新的思路。論文發(fā)表在北京時(shí)間13日出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

大腦的神經(jīng)功能與化學(xué)信號(hào)和電信號(hào)密切相關(guān)。在類(lèi)腦研究中，大量模擬腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與機(jī)制的器件和模型相繼問(wèn)世。不過(guò)，目前的仿突觸器件只能實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的識(shí)別，很難直接感知化學(xué)信號(hào)，制備對(duì)于化學(xué)信號(hào)具有響應(yīng)的人工突觸（即實(shí)現(xiàn)類(lèi)化學(xué)突觸的功能）成了神經(jīng)智能傳感與模擬等領(lǐng)域的科學(xué)難題。

科學(xué)家們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)難題，做出了很多努力。但仍然面臨兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是幾乎所有的神經(jīng)形態(tài)器件都是固體器件，很難實(shí)現(xiàn)與外界信號(hào)的化學(xué)交互；二是類(lèi)化學(xué)突觸的化學(xué)信號(hào)與電信號(hào)間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬尚未實(shí)現(xiàn)。

在這項(xiàng)研究中，研究者充分利用其在腦神經(jīng)電分析化學(xué)和限域離子傳輸研究領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累，提出基于限域流體器件發(fā)展仿神經(jīng)突觸功能的構(gòu)思。在構(gòu)建聚電解質(zhì)限域流體體系的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)此體系具有憶阻器的特征；利用溶液中對(duì)離子在聚電解質(zhì)刷限域空間內(nèi)傳輸可以使得器件具有記憶效應(yīng)的特性，成功模擬了多種神經(jīng)電脈沖行為。相比于傳統(tǒng)固體器件，所發(fā)展的流體器件具有可與生物體系相比擬的工作電壓和低功耗。

更重要的是，基于流體體系的特征，此器件可以在生理溶液中模擬神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)記憶功能的調(diào)控，成功模擬了突觸可塑性的化學(xué)調(diào)控行為。進(jìn)一步，他們利用聚電解質(zhì)對(duì)不同對(duì)離子的識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號(hào)與電信號(hào)之間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬，在化學(xué)突觸的模擬研究領(lǐng)域中邁出了關(guān)鍵的一步。

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