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“化學語言”（神經(jīng)元釋放的神經(jīng)遞質(zhì)等化學信號）的“譯讀”卻束手無策。

　　近日，中科院化學研究所研究員于萍和毛蘭群團隊與合作者在《科學》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)化學信號與電信號轉導的模擬。

　　這意味著，未來人們有望讀取大腦的“化學語言”，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)技術腦研究計劃”，我國也開啟了科技創(chuàng)新2030——“腦科學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)費和人力進行該領域的研發(fā)。

　　在類腦研究領域，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)結構及信息處理機制；二是腦機融合，旨在在模擬大腦功能的基礎上，實現(xiàn)和大腦的融合溝通；三是智能生物醫(yī)學應用，如神經(jīng)義肢、智能傳感器及智能感覺系統(tǒng)等。

　　在這些領域，科學家已經(jīng)出色地完成很多研究工作，大量模擬腦神經(jīng)結構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)了一系列復雜的計算任務，包括超低功耗的并行計算、建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。

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

　　神奇“憶阻器”

　　“大腦的神經(jīng)功能與化學信號和電信號密切相關?！庇谄几嬖V《中國科學報》，“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，很難直接感知化學信號。因此，制備具有化學信號響應的人工突觸（實現(xiàn)類化學突觸功能）就成為神經(jīng)智能傳感與模擬領域的科學難題?！?/p>

　　上世紀70年代，科學家通過理論推導，預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。”于萍解釋說，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。

　　科學家曾利用多巴胺電化學氧化過程產(chǎn)生的電子電流調(diào)控仿神經(jīng)晶體管和導電橋憶阻器，實現(xiàn)了突觸可塑性功能的化學調(diào)控。然而，化學調(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)與外界信號的化學交互。因此，類化學突觸的化學信號與電信號間轉導的模擬仍未在單個器件上實現(xiàn)。

　　實現(xiàn)化學信號到電信號的轉導模擬

　　為解決上述問題，于萍和毛蘭群團隊與中國科學院大學、湘潭大學及北京師范大學的研究人員合作，通過其在腦神經(jīng)電分析化學和限域離子傳輸研究領域的長期積累，提出基于限域流體器件發(fā)展仿神經(jīng)突觸功能的構思。

　　在構建聚電解質(zhì)限域流體體系的基礎上，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，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?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅锌圃夯瘜W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調(diào)控行為。”

　　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)化學信號與電信號之間轉導的模擬，在化學突觸的模擬研究領域邁出了關鍵一步。

　　“化學信號的捕獲、調(diào)控和模擬是腦化學研究的重要內(nèi)容，具有很大的挑戰(zhàn)性和科學價值。用單個器件實現(xiàn)化學信號到電信號的轉導模擬，意味著未來我們可以‘讀懂’大腦的‘化學語言’。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，這項跨領域研究非常值得期待，它可以引導智能傳感、神經(jīng)假肢感知等領域的學者進行更深入探究。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，離真正的應用還很遠?！泵m群坦言，“但這使人類朝著實現(xiàn)與大腦化學信號智能交互邁出了初始和關鍵的一步?！保◤堧p虎）