人類通過大腦認知世界，卻對大腦知之甚少。

原因之一是大腦有兩種“語言”——電信號和化學(xué)信號。目前，人們可以“讀懂”大腦的“電語言”（讀取并解譯電信號），而對“化學(xué)語言”（神經(jīng)元釋放的神經(jīng)遞質(zhì)等化學(xué)信號）的“譯讀”卻束手無策。

(相關(guān)資料圖)

近日，中科院化學(xué)研究所研究員于萍和毛蘭群團隊與合作者在《科學(xué)》發(fā)表論文，報道了一種聚電解質(zhì)限域的流體憶阻器，并利用單個器件，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。

這意味著，未來人們有望讀取大腦的“化學(xué)語言”，更好地模擬大腦，實現(xiàn)與大腦的智能交互。

探索大腦“千帆競發(fā)”

從人工智能到類腦智能，從記錄信號到腦機融合，從信號識別到智能感知，人類對大腦的探索及對其運行機制和功能的模仿越來越深入。

目前，很多國家和地區(qū)在積極布局類腦領(lǐng)域研究。歐盟開展了“人類腦計劃”，美國啟動“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)腦研究計劃”，我國也開啟了科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究重大項目”等。此外，谷歌、微軟等公司也投入大量經(jīng)費和人力進行該領(lǐng)域的研發(fā)。

在類腦研究領(lǐng)域，當前主要集中在以下方面：一是類腦智能，即神經(jīng)形態(tài)計算，旨在模擬人類大腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)及信息處理機制；二是腦機融合，旨在在模擬大腦功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)和大腦的融合溝通；三是智能生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如神經(jīng)義肢、智能傳感器及智能感覺系統(tǒng)等。

在這些領(lǐng)域，科學(xué)家已經(jīng)出色地完成很多研究工作，大量模擬腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和機制的器件與模型相繼被報道。例如，利用兩端口的憶阻器和三端口的神經(jīng)可塑性晶體管發(fā)展出的無機固態(tài)神經(jīng)形態(tài)器件，已經(jīng)實現(xiàn)了一系列復(fù)雜的計算任務(wù)，包括超低功耗的并行計算、建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

與此同時，有機電子研究領(lǐng)域的成果也展示了基于有機材料的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備具有諸多潛在價值，尤其在與生物系統(tǒng)的結(jié)合方面。

神奇“憶阻器”

“大腦的神經(jīng)功能與化學(xué)信號和電信號密切相關(guān)?！庇谄几嬖V《中國科學(xué)報》，“大腦進行神經(jīng)傳遞時一般會釋放出神經(jīng)遞質(zhì)，其中包括電信號和化學(xué)信號。目前人們只能實現(xiàn)對電信號的識別和模擬，很難直接感知化學(xué)信號。因此，制備具有化學(xué)信號響應(yīng)的人工突觸（實現(xiàn)類化學(xué)突觸功能）就成為神經(jīng)智能傳感與模擬領(lǐng)域的科學(xué)難題?！?/p>

上世紀70年代，科學(xué)家通過理論推導(dǎo)，預(yù)示了研制第四種元件——憶阻器的可能性。

“我們可以把憶阻器看作和電容、電感、電阻一樣的基本電子元器件?！庇谄冀忉屨f，作為一類新的電子元器件，流體憶阻器有望模擬大腦的“離子通道”功能，實現(xiàn)與大腦的智能交互，從而有望幫助人們解讀大腦，實現(xiàn)類腦智能研究、類腦計算和類腦智能傳感。

科學(xué)家曾利用多巴胺電化學(xué)氧化過程產(chǎn)生的電子電流調(diào)控仿神經(jīng)晶體管和導(dǎo)電橋憶阻器，實現(xiàn)了突觸可塑性功能的化學(xué)調(diào)控。然而，化學(xué)調(diào)控的神經(jīng)形態(tài)器件仍然面臨諸多問題，比如，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。因此，類化學(xué)突觸的化學(xué)信號與電信號間轉(zhuǎn)導(dǎo)的模擬仍未在單個器件上實現(xiàn)。

實現(xiàn)化學(xué)信號到電信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬

為解決上述問題，于萍和毛蘭群團隊與中國科學(xué)院大學(xué)、湘潭大學(xué)及北京師范大學(xué)的研究人員合作，通過其在腦神經(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，研究人員發(fā)現(xiàn)該體系具有憶阻器的特征，并利用溶液中離子在聚電解質(zhì)刷限域空間內(nèi)傳輸，使器件具有記憶效應(yīng)，成功模擬了多種神經(jīng)電脈沖行為。

“相比傳統(tǒng)固體器件，這種流體器件具有可與生物體系相比擬的工作電壓和低功耗。”論文第一作者、中科院化學(xué)研究所博士生熊天逸說，“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)對記憶功能的調(diào)控，從而成功模擬了突觸可塑性的化學(xué)調(diào)控行為?！?/p>

緊接著，研究團隊利用聚電解質(zhì)對不同離子的識別能力，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)域邁出了關(guān)鍵一步。

“化學(xué)信號的捕獲、調(diào)控和模擬是腦化學(xué)研究的重要內(nèi)容，具有很大的挑戰(zhàn)性和科學(xué)價值。用單個器件實現(xiàn)化學(xué)信號到電信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)模擬，意味著未來我們可以‘讀懂’大腦的‘化學(xué)語言’。這條路走通了，對人們認識大腦、模擬大腦或與大腦智能交互等研究都非常重要?！泵m群說。

該團隊認為，這項跨領(lǐng)域研究非常值得期待，它可以引導(dǎo)智能傳感、神經(jīng)假肢感知等領(lǐng)域的學(xué)者進行更深入探究。未來人們甚至能像科幻小說中那樣，給大腦“存點東西”，“寫入”知識或技能。

“目前我們只是做了簡單的樣機，它還只是個概念，離真正的應(yīng)用還很遠?！泵m群坦言，“但這使人類朝著實現(xiàn)與大腦化學(xué)信號智能交互邁出了初始和關(guān)鍵的一步?！保◤堧p虎）