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

  • 湖北:2.6万吨大桥成功转体

  • 山东莒县:阳光大课间 活力满校园

独家策划

推荐阅读
实际上本轮废旧手机回收价格上涨并非全品类普涨,不同品牌、型号、配置的废旧手机,涨幅存在显著差异。
2026-03-27 10:14
在博鳌亚洲论坛2026年年会上,一位特殊的嘉宾吸引了大家的目光——博鳌亚洲论坛史上首位数字人嘉宾ViviDora正式亮相。3月25日在博鳌亚洲论坛“人形机器人的进阶与飞跃”分论坛上拍摄的机器人。
2026-03-27 09:25
这些年,中国科技产出持续攀升——高被引论文数全球占比超30%,专利授权量连年位居世界第一。在技术经理人的“撮合”下,马鹏程团队成功在新疆、陕西、宁夏、内蒙古等地的煤化工企业完成前期中试。
2026-03-27 09:23
时间回到10年前,2016年11月15日凌晨3点,中国科学院青年创新促进会学术年会的酒店房间里,武延军与计算所研究员包云岗靠在各自的床头,越聊越兴奋。编译工具链、操作系统内核及关键基础组件等基础软件的适配,是指令集架构的生态底座,它们是所有硬件和应用软件绕不开的“基础设施”。
2026-03-27 09:35
3月26日,在中关村论坛年会—RISC-V生态科技论坛上,中国科学院正式公布在RISC-V关键技术突破、产业协同创新及人才培养领域的系列重要成果,集中发布“香山”开源处理器与“如意”原生操作系统两大重要成果,并正式启动下一代芯片与操作系统的联合研发工作。
2026-03-27 09:33
粤港澳大湾区核心枢纽工程狮子洋通道关键控制性工程——狮子洋大桥实现东、西主塔封顶,转入上部结构施工阶段。
2026-03-27 09:29
26日发布的《自然》增刊《2026自然指数—中国》显示,我国在自然指数中继续居于首位。与两年前发布的上一次《自然指数—中国》增刊(数据区间为2022年8月至2023年7月)相比,多个中国机构的全球排名显著提升。
2026-03-27 09:27
26日6时51分,我国在太原卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭,成功将四维高景二号05、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。
2026-03-27 09:25
全国科学技术名词审定委员会25日发布《关于发布试用人工智能领域名词token中文名“词元”的公告》,决定在综合考量社会各界意见建议的基础上,优先推荐“词元”作为人工智能领域名词token的中文名,并面向全社会发布试用。
2026-03-26 09:23
木卫二是一颗冰封的木星卫星,也是太阳系内最有希望孕育地外生命的地方。“欧罗巴快船”团队认为,他们将发现适宜生命生存的海洋,但除非探测器真正抵达、展开探测,没有人能给出确切的答案。
2026-03-26 09:24
作者:陆俊杰(南通大学副校长,江苏省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员)  在促进创新链产业链资金链人才链深度融合、推动科技成果高效转化应用上探索新途径,是“十五五”时期江苏经济社会发展的重要目标任务。深耕“双高协同”不仅是破解科研创新与产业需求脱节的关键举措,更是落实创新驱动发展战略的重要布局。
2026-03-26 09:24
记者从中国发明协会获悉:在瑞士日内瓦举行的第五十一届日内瓦国际发明展上,中国代表团共获得90项金奖、95项银奖和52项铜奖。
2026-03-26 09:30
工业和信息化部25日公布,今年前2个月,我国通信业运行平稳,电信业务总量保持增长,5G、千兆光网、物联网等网络基础设施建设有序推进。截至2月末,5G基站总数达490.9万个,比上年末净增7万个,占移动基站总数的38%。
2026-03-26 09:24
3月25日,国家自然科学基金委员会在2026中关村论坛年会开幕式上发布2025年度“中国科学十大进展”,10项重大基础研究突破入选。界面调控新方法创制面向空天应用的高性能柔性叠层太阳能电池示意图 国家自然科学基金委员会供图 
2026-03-26 09:22
3月25日,以“创新与发展”为永久主题,由科技部、国家发展改革委、工业和信息化部、国务院国资委、中国科学院、中国工程院、中国科协和北京市政府共同主办的2026中关村论坛年会在北京拉开帷幕。
2026-03-26 09:21
记者24日从农业农村部获悉,农业农村部近日印发通知,督促指导各地依法严厉打击坑农害农、危害粮食安全和农产品质量安全违法行为,守护群众“舌尖上的安全”,持续夯实国家粮食安全根基。
2026-03-25 10:22
氢能兼具能源、资源、储能介质三重属性,氢能产业科技含量高、低碳属性强、发展空间大。通知提出到2030年,通过应用规模扩大,推动氢能应用技术、工艺、装备创新突破,实现燃料电池、电解槽、储运装置和材料等迭代升级,推动氢能成为新的经济增长点,支撑实现经济社会发展全面绿色转型。
2026-03-25 10:21
林间密密麻麻的印痕,正是东北虎豹国家公园生态环境越来越好的体现。在科技守护与不懈坚守下,东北虎豹国家公园的生态成果愈发显著:东北虎和东北豹的数量由公园试点初的27只和42只,增长至当前的70只和80只左右。
2026-03-25 10:11
国家卫生健康委和中国气象局24日联合发布首期全国花粉浓度预报服务提示,为公众提供精准防护指引。目前正值春季,以木本植物花粉传播为主,建议过敏人群及时关注本地花粉浓度和种类变化,必要时明确过敏原,提前做好防护和出行安排。
2026-03-25 10:04
自然资源部日前发布四川省冕宁县牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目成果,矿区新增稀土资源量966.6万吨。据悉,牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目还新增伴生萤石资源量2713.5万吨、伴生重晶石资源量3722.8万吨,均达到超大型规模,具有重大战略意义。
2026-03-25 10:00
加载更多