揭秘大腦功能，解讀腦部信號，不僅可為腦疾病提供診療依據，也能為研制類腦芯片提供思路。腦機接口是腦研究領域的熱點，它是人腦與外界電子設備信息交互的通道，是監測與解析腦部活動、治療神經疾病、構建智能假肢等技術領域的基石。

大腦的決策、情緒調控等功能與神經遞質密切相關。然而，絕大多數的腦機接口均依賴電信號作為通信媒介，它們只能對電信號或物理信號做出反應，不能直接與生物神經元連接，無法直接感知神經遞質。這將不利于對大腦信息進行完整和精確的解釋，特別是在解讀與神經遞質相關的復雜智能行為上存在壁壘。

如何讓腦機接口與生物神經元“無縫對接”，實現信息交互？近期，南京郵電大學汪聯輝教授和王婷教授團隊與新加坡南洋理工大學陳曉東教授、南京醫科大學胡本慧教授合作開發了一種基于神經遞質雙向交互的人工神經元，構建了模態兼容的腦機交互界面。相關成果近日發表于國際學術期刊《自然·電子學》。

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a）以神經遞質為信使分子，人工神經元與活體神經元進行雙向通訊；b）人工神經元的設計與構建，該序列系統成功實現了多巴胺分子的自適應動態感釋

開發人工神經元，實現類似神經元間的化學交流

神經元是大腦活動的最基本的單元，它們獨特的形狀和結構能快速傳遞神經系統信號。神經元上的樹突是信號輸入口，它們就像“天線”一樣，在接收到信號后，引起神經元興奮，將信號通過軸突傳遞給下一個神經元。

在生物體內，腦部神經元之間主要通過神經遞質分子，最終實現決策、記憶、情緒等智能行為。

“腦機交互時，是通過腦部的電信號來了解腦部神經元群體的行為的，但神經元之間以神經遞質進行交互。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’神經遞質的感知、釋放過程。”論文第一作者、南京郵電大學教授王婷表示。

對此，研究團隊開發了一種基于神經遞質雙向交互的人工神經元，它能夠接收和自適應地定量發送神經遞質多巴胺分子到活神經元。

王婷介紹，這種人工神經元包括一個多巴胺分子傳感器、一個用于信號處理的憶阻器和一個多巴胺分子釋放器。人工神經元模擬神經元的基本功能，能對微摩爾濃度的多巴胺分子實現精準傳感，并能在相同的濃度范圍內釋放多巴胺，實現了類似神經元間的化學交流。

“具體來說，在實驗中，當多巴胺在傳感器上發生氧化反應后，傳感器會采集到電流信號，由此激活憶阻器及分子釋放器，這相當于神經元的樹突將接收到信號傳遞給神經元胞體；多巴胺不同的分子濃度對應不同的電流，分子濃度越高，電流越大，當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后釋放，這相當于神經元將接收到的信號通過軸突傳遞給下一個神經元。”王婷說。

探索出人工神經元與活神經元的通信

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

他們發現，人工神經元能夠感知和響應由活體神經元細胞產生和發送的多巴胺，并釋放自身的部分多巴胺，其后在活體神經元細胞中產生反應。

研究者們通過將多巴胺誘導的電刺激，移動機器人的手或者坐骨神經，來激活小鼠肌肉樣本。這些結果均表明，人工神經元成功地將神經遞質信息傳遞給了進一步控制反饋的神經。

“在這項研究中，我們探索了一種人工神經元與活神經元基于化學語言的同模態通信，希望能為基于神經遞質的神經假體和類腦芯片系統開辟出一條新途徑。”王婷表示。

盡管人工神經元的成功研發標志著人類在腦機接口研究方面的進一步突破，但王婷坦言，就目前來說，人工神經元和活神經元在系統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，能否開發出更微小的釋放器。

“未來，還需要來自材料、電子、生物、化學等領域的科研工作者共同努力來解決，以逐步降低系統的響應時間和功耗，優化系統封裝技術，進一步提升系統在生物體中的穩定性。”王婷說。

談及未來的研究計劃，王婷表示，他們一方面將優化材料和器件結構，進一步縮短人工神經元系統性能與生物體之間的差距；另一方面，他們試圖建立一個化學介導的神經元網絡，來完成復雜的情緒關聯活動。

“我們希望未來能用人工神經元網絡復刻生物系統，構建微型智能機器人，增強智能感知等新型技術的迭代提供支撐。”王婷說。

編輯：黃飛

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