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讀取大腦的“化學(xué)信號”

我國科學(xué)家首次實現(xiàn)大腦神經(jīng)化學(xué)信號與電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬

2023年01月14日23:01 | 來源:光明日報
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原標(biāo)題:我科學(xué)家首次實現(xiàn)大腦神經(jīng)化學(xué)信號與電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬

類腦研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點,但大部分研究設(shè)備隻能“捕捉”到大腦發(fā)出的電信號,卻無法獲得化學(xué)信號。來自中科院化學(xué)所、中國科學(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,並利用單個器件首次實現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號與電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬。

這一研究有望推動人類對大腦“化學(xué)語言”的讀取和交互,為發(fā)展神經(jīng)智能傳感、類腦智能器件和神經(jīng)感覺假肢等提供新的思路。論文發(fā)表在北京時間13日出版的國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

大腦的神經(jīng)功能與化學(xué)信號和電信號密切相關(guān)。在類腦研究中,大量模擬腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與機制的器件和模型相繼問世。不過,目前的仿突觸器件隻能實現(xiàn)對電信號的識別,很難直接感知化學(xué)信號,制備對於化學(xué)信號具有響應(yīng)的人工突觸(即實現(xiàn)類化學(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這個難題,做出了很多努力。但仍然面臨兩個關(guān)鍵問題:一是幾乎所有的神經(jīng)形態(tài)器件都是固體器件,很難實現(xiàn)與外界信號的化學(xué)交互﹔二是類化學(xué)突觸的化學(xué)信號與電信號間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬尚未實現(xiàn)。

在這項研究中,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)域的長期積累,提出基於限域流體器件發(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。相比於傳統(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,基於流體體系的特征,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。進一步,他們利用聚電解質(zhì)對不同對離子的識別能力,實現(xiàn)了神經(jīng)化學(xué)信號與電信號之間轉(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。(記者齊芳)

(責(zé)編:李依環(huán)、孫競)

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