近日，南京郵電大學(xué)王婷教授和汪聯(lián)輝教授團(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)胡本慧教授開(kāi)展合作研究，在柔性生物傳感領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，開(kāi)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)成果以A chemically mediated artificial neuron為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Electronics（《自然·電子學(xué)》）上。
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)，也能夠?yàn)轭?lèi)腦芯片構(gòu)建新策略。腦機(jī)接口是腦研究領(lǐng)域的黑科技之一，它以電生理信號(hào)為通訊媒介，承載著信號(hào)雙向傳輸?shù)墓δ堋Ｔ谏矬w內(nèi)，腦部神經(jīng)元之間主要通過(guò)遞質(zhì)為信使分子，最終實(shí)現(xiàn)決策、記憶、情緒等智能行為。由于腦機(jī)接口缺乏神經(jīng)遞質(zhì)感釋功能，當(dāng)其與生物神經(jīng)元直接交互時(shí)，界面處將產(chǎn)生信息模態(tài)不兼容的問(wèn)題，無(wú)法在體內(nèi)遞質(zhì)分子動(dòng)態(tài)平衡的微環(huán)境中表現(xiàn)出自適應(yīng)特性，從而限制腦部信息解讀的精準(zhǔn)性與全面性，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。
針對(duì)以上問(wèn)題，王婷教授和汪聯(lián)輝教授團(tuán)隊(duì)與合作者們開(kāi)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。人工神經(jīng)元是一個(gè)異構(gòu)集成的序列柔性操作系統(tǒng)，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?；瘜W(xué)信息流遵循三個(gè)步驟：以電流信號(hào)響應(yīng)作為輸出的多巴胺分子激活傳感器，通過(guò)電流信號(hào)對(duì)憶阻器的內(nèi)阻狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)制，以及受憶阻器電流輸出控制的水凝膠致動(dòng)分子釋放器。該系統(tǒng)可用于生物混合界面，表明該化學(xué)驅(qū)動(dòng)型人工神經(jīng)元可以響應(yīng)PC12 細(xì)胞的分子胞吐作用，并釋放多巴胺以反饋激活PC12 細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)類(lèi)中間神經(jīng)元的化學(xué)通訊。我們還證明了該人工神經(jīng)元通過(guò)動(dòng)態(tài)多巴胺分子刺激觸發(fā)活鼠后肢彎曲和機(jī)械臂的可控反饋。
該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)、江蘇省特聘教授、江蘇省青年科學(xué)基金的支持。
Nature Electronics刊發(fā)王婷教授汪聯(lián)輝教授團(tuán)隊(duì)在柔性生物傳感領(lǐng)域研究進(jìn)展
圖a. 以神經(jīng)遞質(zhì)為信使分子，人工神經(jīng)元與活體神經(jīng)元進(jìn)行雙向通訊；
圖b. 人工神經(jīng)元的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，該序列系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了多巴胺分子的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)感釋
（撰稿：王婷 初審：賴(lài)文勇 編輯：王存宏 審核：張豐）