点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:读懂大脑“化学语言”迈出关键一步
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

读懂大脑“化学语言”迈出关键一步

来源:中国科学报2023-01-17 09:32

  人类通过大脑认知世界,却对大脑知之甚少。

  原因之一是大脑有两种“语言”——电信号和化学信号。目前,人们可以“读懂”大脑的“电语言”(读取并解译电信号),而对“化学语言”(神经元释放的神经递质等化学信号)的“译读”却束手无策。

  近日,中科院化学研究所研究员于萍和毛兰群团队与合作者在《科学》发表论文,报道了一种聚电解质限域的流体忆阻器,并利用单个器件,首次实现了神经化学信号与电信号转导的模拟。

  这意味着,未来人们有望读取大脑的“化学语言”,更好地模拟大脑,实现与大脑的智能交互。

  探索大脑“千帆竞发”

  从人工智能到类脑智能,从记录信号到脑机融合,从信号识别到智能感知,人类对大脑的探索及对其运行机制和功能的模仿越来越深入。

  目前,很多国家和地区在积极布局类脑领域研究。欧盟开展了“人类脑计划”,美国启动“推进创新神经技术脑研究计划”,我国也开启了科技创新2030——“脑科学与类脑研究重大项目”等。此外,谷歌、微软等公司也投入大量经费和人力进行该领域的研发。

  在类脑研究领域,当前主要集中在以下方面:一是类脑智能,即神经形态计算,旨在模拟人类大脑的形态结构及信息处理机制;二是脑机融合,旨在在模拟大脑功能的基础上,实现和大脑的融合沟通;三是智能生物医学应用,如神经义肢、智能传感器及智能感觉系统等。

  在这些领域,科学家已经出色地完成很多研究工作,大量模拟脑神经结构和机制的器件与模型相继被报道。例如,利用两端口的忆阻器和三端口的神经可塑性晶体管发展出的无机固态神经形态器件,已经实现了一系列复杂的计算任务,包括超低功耗的并行计算、建立人工神经网络等。

  与此同时,有机电子研究领域的成果也展示了基于有机材料的神经形态设备具有诸多潜在价值,尤其在与生物系统的结合方面。

  神奇“忆阻器”

  “大脑的神经功能与化学信号和电信号密切相关。”于萍告诉《中国科学报》,“大脑进行神经传递时一般会释放出神经递质,其中包括电信号和化学信号。目前人们只能实现对电信号的识别和模拟,很难直接感知化学信号。因此,制备具有化学信号响应的人工突触(实现类化学突触功能)就成为神经智能传感与模拟领域的科学难题。”

  上世纪70年代,科学家通过理论推导,预示了研制第四种元件——忆阻器的可能性。

  “我们可以把忆阻器看作和电容、电感、电阻一样的基本电子元器件。”于萍解释说,作为一类新的电子元器件,流体忆阻器有望模拟大脑的“离子通道”功能,实现与大脑的智能交互,从而有望帮助人们解读大脑,实现类脑智能研究、类脑计算和类脑智能传感。

  科学家曾利用多巴胺电化学氧化过程产生的电子电流调控仿神经晶体管和导电桥忆阻器,实现了突触可塑性功能的化学调控。然而,化学调控的神经形态器件仍然面临诸多问题,比如,几乎所有的神经形态器件都是固体器件,很难实现与外界信号的化学交互。因此,类化学突触的化学信号与电信号间转导的模拟仍未在单个器件上实现。

  实现化学信号到电信号的转导模拟

  为解决上述问题,于萍和毛兰群团队与中国科学院大学、湘潭大学及北京师范大学的研究人员合作,通过其在脑神经电分析化学和限域离子传输研究领域的长期积累,提出基于限域流体器件发展仿神经突触功能的构思。

  在构建聚电解质限域流体体系的基础上,研究人员发现该体系具有忆阻器的特征,并利用溶液中离子在聚电解质刷限域空间内传输,使器件具有记忆效应,成功模拟了多种神经电脉冲行为。

  “相比传统固体器件,这种流体器件具有可与生物体系相比拟的工作电压和低功耗。”论文第一作者、中科院化学研究所博士生熊天逸说,“更重要的是,基于流体体系的特征,此器件可以在生理溶液中模拟神经递质对记忆功能的调控,从而成功模拟了突触可塑性的化学调控行为。”

  紧接着,研究团队利用聚电解质对不同离子的识别能力,实现了神经化学信号与电信号之间转导的模拟,在化学突触的模拟研究领域迈出了关键一步。

  “化学信号的捕获、调控和模拟是脑化学研究的重要内容,具有很大的挑战性和科学价值。用单个器件实现化学信号到电信号的转导模拟,意味着未来我们可以‘读懂’大脑的‘化学语言’。这条路走通了,对人们认识大脑、模拟大脑或与大脑智能交互等研究都非常重要。”毛兰群说。

  该团队认为,这项跨领域研究非常值得期待,它可以引导智能传感、神经假肢感知等领域的学者进行更深入探究。未来人们甚至能像科幻小说中那样,给大脑“存点东西”,“写入”知识或技能。

  “目前我们只是做了简单的样机,它还只是个概念,离真正的应用还很远。”毛兰群坦言,“但这使人类朝着实现与大脑化学信号智能交互迈出了初始和关键的一步。”(张双虎)

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 甘肃渭源突发山洪 已致10人死亡

  • 福建长汀中复村:红色热土绘新卷

独家策划

推荐阅读
刘文郡:中国启动“人工智能+”行动,通过协同推进传统产业改造升级、新兴产业培育壮大与未来产业前瞻布局,让人工智能深度赋能千行百业。中国相继提出《全球人工智能治理倡议》《“人工智能+”国际合作倡议》,发布《人工智能能力建设普惠计划》《人工智能合作发展行动计划》,倡议成立世界人工智能合作组织。
2026-07-27 09:31
7月26日18时,水利部和中国气象局联合发布红色山洪灾害气象预警,江西南部、广东中北部局地发生山洪灾害可能性很大(红色预警)。涂勇介绍,主汛期山区降雨突发性强、峡谷汇水迅猛,进山务必提前关注山洪、暴雨预警,收到预警应立即取消行程。
2026-07-27 09:29
7月26日凌晨,今年第12号台风“红霞”在广东惠州市惠东县平海镇沿海登陆。”  针对台风远距离水汽输送导致的暴雨预报难题,气象部门采用集合预报方法,通过多个模式、多个初始场的集成分析,量化预报的不确定性。
2026-07-27 09:28
眼下正是小龙虾上市的季节,走进安徽省滁州市全椒县十字镇陈浅村潘氏龙虾万亩养殖基地,养殖户们正下田捕捞小龙虾。当前,全椒县稻虾综合种养面积36.5万亩,小龙虾年产量5.5万吨,稻虾全产业链综合产值34亿元、从业人数4万多人,小龙虾成了乡村振兴的主导产业之一。
2026-07-27 09:28
光明日报武汉7月26日电 记者王建宏、张锐从华中农业大学获悉,该校熊立仲教授团队近日鉴定出一个名为“ROAD1”的稻属特异抗旱孤儿基因,并发现携带这个功能等位基因的水稻在田间干旱条件下产量较对照显著提高。
2026-07-27 09:27
光明日报北京7月26日电 记者张胜从自然资源部获悉,每年的7月26日是联合国教科文组织确立的“世界红树林日”。自然资源部数据显示,自《红树林保护修复专项行动计划(2020—2025年)》印发实施以来,我国完成新营造红树林约1.16万公顷(17.4万亩),是全球少数红树林面积持续增加的国家之一。
2026-07-27 09:27
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
加载更多