揭秘大腦功能，解讀腦部信號(hào)，不僅可為腦疾病提供診療依據(jù)，也能為研制類腦芯片提供思路。腦機(jī)接口是腦研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它是人腦與外界電子設(shè)備信息交互的通道，是監(jiān)測與解析腦部活動(dòng)、治療神經(jīng)疾病、構(gòu)建智能假肢等技術(shù)領(lǐng)域的基石。

大腦的決策、情緒調(diào)控等功能與神經(jīng)遞質(zhì)密切相關(guān)。然而，絕大多數(shù)的腦機(jī)接口均依賴電信號(hào)作為通信媒介，它們只能對電信號(hào)或物理信號(hào)做出反應(yīng)，不能直接與生物神經(jīng)元連接，無法直接感知神經(jīng)遞質(zhì)。這將不利于對大腦信息進(jìn)行完整和精確的解釋，特別是在解讀與神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的復(fù)雜智能行為上存在壁壘。

如何讓腦機(jī)接口與生物神經(jīng)元“無縫對接”，實(shí)現(xiàn)信息交互?9月4日，記者從南京郵電大學(xué)獲悉，該校汪聯(lián)輝教授和王婷教授團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授、南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧教授合作開發(fā)了一種基于神經(jīng)遞質(zhì)雙向交互的人工神經(jīng)元，構(gòu)建了模態(tài)兼容的腦機(jī)交互界面。相關(guān)成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》。

開發(fā)人工神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)類似神經(jīng)元間的化學(xué)交流

神經(jīng)元是大腦活動(dòng)的最基本的單元，它們獨(dú)特的形狀和結(jié)構(gòu)能快速傳遞神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)。神經(jīng)元上的樹突是信號(hào)輸入口，它們就像“天線”一樣，在接收到信號(hào)后，引起神經(jīng)元興奮，將信號(hào)通過軸突傳遞給下一個(gè)神經(jīng)元。

在生物體內(nèi)，腦部神經(jīng)元之間主要通過神經(jīng)遞質(zhì)分子，最終實(shí)現(xiàn)決策、記憶、情緒等智能行為。

“腦機(jī)交互時(shí)，是通過腦部的電信號(hào)來了解腦部神經(jīng)元群體的行為的，但神經(jīng)元之間以神經(jīng)遞質(zhì)進(jìn)行交互。想要破解腦部的微觀信息，了解人的情緒、記憶是如何編碼的，就需要‘破解’神經(jīng)遞質(zhì)的感知、釋放過程。”論文第一作者、南京郵電大學(xué)教授王婷告訴科技日報(bào)記者。

對此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于神經(jīng)遞質(zhì)雙向交互的人工神經(jīng)元，它能夠接收和自適應(yīng)地定量發(fā)送神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺分子到活神經(jīng)元。

王婷介紹，這種人工神經(jīng)元包括一個(gè)多巴胺分子傳感器、一個(gè)用于信號(hào)處理的憶阻器和一個(gè)多巴胺分子釋放器。人工神經(jīng)元模擬神經(jīng)元的基本功能，能對微摩爾濃度的多巴胺分子實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳感，并能在相同的濃度范圍內(nèi)釋放多巴胺，實(shí)現(xiàn)了類似神經(jīng)元間的化學(xué)交流。

“具體來說，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)多巴胺在傳感器上發(fā)生氧化反應(yīng)后，傳感器會(huì)采集到電流信號(hào)，由此激活憶阻器及分子釋放器，這相當(dāng)于神經(jīng)元的樹突將接收到信號(hào)傳遞給神經(jīng)元胞體;多巴胺不同的分子濃度對應(yīng)不同的電流，分子濃度越高，電流越大，當(dāng)電流高到一定程度后，多巴胺分子釋放器中的水凝膠被觸發(fā)后釋放，這相當(dāng)于神經(jīng)元將接收到的信號(hào)通過軸突傳遞給下一個(gè)神經(jīng)元。”王婷說。

探索出人工神經(jīng)元與活神經(jīng)元的通信

在此次研究中，科研人員通過將人工神經(jīng)元與小鼠類神經(jīng)元細(xì)胞相連接，來測試人工神經(jīng)元的交流能力。

他們發(fā)現(xiàn)，人工神經(jīng)元能夠感知和響應(yīng)由活體神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生和發(fā)送的多巴胺，并釋放自身的部分多巴胺，其后在活體神經(jīng)元細(xì)胞中產(chǎn)生反應(yīng)。

研究者們通過將多巴胺誘導(dǎo)的電刺激，移動(dòng)機(jī)器人的手或者坐骨神經(jīng)，來激活小鼠肌肉樣本。這些結(jié)果均表明，人工神經(jīng)元成功地將神經(jīng)遞質(zhì)信息傳遞給了進(jìn)一步控制反饋的神經(jīng)。

“在這項(xiàng)研究中，我們探索了一種人工神經(jīng)元與活神經(jīng)元基于化學(xué)語言的同模態(tài)通信，希望能為基于神經(jīng)遞質(zhì)的神經(jīng)假體和類腦芯片系統(tǒng)開辟出一條新途徑。”王婷表示。

盡管人工神經(jīng)元的成功研發(fā)標(biāo)志著人類在腦機(jī)接口研究方面的進(jìn)一步突破，但王婷坦言，就目前來說，人工神經(jīng)元和活神經(jīng)元在系統(tǒng)性能上仍然存在差距，例如如何讓傳感器更快地感知生物分子、憶阻器如何降低功耗，能否開發(fā)出更微小的釋放器。

“未來，還需要來自材料、電子、生物、化學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者共同努力來解決，以逐步降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和功耗，優(yōu)化系統(tǒng)封裝技術(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)在生物體中的穩(wěn)定性。”王婷說。

談及未來的研究計(jì)劃，王婷表示，他們一方面將優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步縮短人工神經(jīng)元系統(tǒng)性能與生物體之間的差距;另一方面，他們試圖建立一個(gè)化學(xué)介導(dǎo)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，來完成復(fù)雜的情緒關(guān)聯(lián)活動(dòng)。

“我們希望未來能用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)復(fù)刻生物系統(tǒng)，構(gòu)建微型智能機(jī)器人，增強(qiáng)智能感知等新型技術(shù)的迭代提供支撐。”王婷說。(科技日報(bào)記者 金鳳)