提示：美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）資助的可靠神經(jīng)接口技術(shù)（RE-NET）項(xiàng)目使研究人員可以同時(shí)利用光學(xué)和電子學(xué)方法對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和刺激。

　　圖：以往的金屬電極（左上圖）是不透明的，阻礙了對(duì)底層神經(jīng)組織的觀測(cè)。 DARPA的RE-NET項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的石墨烯傳感器是導(dǎo)電的，且只有4個(gè)原子厚，比目前的接口傳感器（上中圖）薄數(shù)百倍。由于厚度極小，在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有很強(qiáng)的透光性。新的設(shè)備將石墨烯附著在柔性的塑料（聚對(duì)二甲苯）襯里上，使其貼合組織的形狀（下圖）。該傳感器是概念驗(yàn)證的工具，可通過(guò)小型透明接口傳感器利用電/光方法對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行觀測(cè)和刺激（右上圖）。

　　[據(jù)DARPA官方網(wǎng)站2014年10月20日?qǐng)?bào)道]了解大腦解剖結(jié)構(gòu)和功能是神經(jīng)科學(xué)的長(zhǎng)期研究目標(biāo)，也是美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬“腦科學(xué)計(jì)劃”的重中之重?；陔娮訉W(xué)的監(jiān)測(cè)和神經(jīng)信號(hào)刺激是研究腦功能的支柱技術(shù)，而新興的光學(xué)技術(shù)可以利用光子取代電子對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化，從而為探索大腦功能提供新機(jī)遇。如果能將電子學(xué)與光學(xué)技術(shù)協(xié)同使用，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以獲得更清晰、分辨率更高的腦結(jié)構(gòu)圖像。然而，要將這兩者結(jié)合具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槌Ｒ?guī)的金屬電極厚度太大（大于500納米），難以透光，這使得電子學(xué)成像方法與許多光學(xué)方法不相容。

　　為了克服這些挑戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）創(chuàng)造性地提出了小型化、透明接觸、電光結(jié)合的概念驗(yàn)證方法。在DARPA可靠神經(jīng)接口技術(shù)（RE-NET）項(xiàng)目的支持下，美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的研究人員開(kāi)發(fā)了新的腦結(jié)構(gòu)研究技術(shù)，相關(guān)的細(xì)節(jié)發(fā)表在《自然·通信》期刊上。

　　DARPA項(xiàng)目經(jīng)理道格·韋伯稱，這項(xiàng)技術(shù)表明對(duì)大腦中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)進(jìn)行可視化和量化具有重大的突破潛力。利用該技術(shù)，可以在大范圍快速觀測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，前所未有地深入了解大腦結(jié)構(gòu)和功能，更重要的是，可以了解大腦各結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及這些關(guān)系如何隨著時(shí)間推移或因傷病而發(fā)生變化。

　　新的設(shè)備將石墨烯附著在柔性的塑料襯里上，使其貼合組織的形狀。石墨烯傳感器具有導(dǎo)電性，但僅有4個(gè)原子的厚度，其厚度小于1納米，比目前的接口傳感器厚度小數(shù)百倍。由于厚度極小，在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都具有很強(qiáng)的透光性。而且，石墨烯對(duì)生物系統(tǒng)無(wú)毒性，明顯不同于以前厚度很大、難以制造且可能具有毒性的傳感器合金材料。

　　這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了三個(gè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)：石墨烯技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)使研究者獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；超分辨率熒光顯微鏡，其研究人員獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；光遺傳學(xué)，這涉及細(xì)胞遺傳修飾創(chuàng)建特定的光反應(yīng)性蛋白質(zhì)。

　　RE-NET項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)了解和克服神經(jīng)接口失效機(jī)理的新工具和技術(shù)。DARPA希望推動(dòng)下一代神經(jīng)技術(shù)來(lái)揭示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和功能之間的關(guān)系。RE-NET計(jì)劃和DARPA在該研究領(lǐng)域的后續(xù)項(xiàng)目希望通過(guò)利用新工具來(lái)測(cè)量電/光脈沖刺激下的神經(jīng)元的物理運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)。因此，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以提供更好的觀察神經(jīng)系統(tǒng)自身機(jī)能的機(jī)會(huì)，而且可以通過(guò)對(duì)刺激和反射回路進(jìn)行精心調(diào)制，探索神經(jīng)信號(hào)和大腦之間的因果關(guān)系。這對(duì)于研究人員了解大腦、治療腦部傷病具有重大的促進(jìn)作用。

　　DARPA為響應(yīng)奧巴馬政府的腦科學(xué)計(jì)劃啟動(dòng)了一批旨在提到對(duì)大腦動(dòng)態(tài)和機(jī)制的了解、推進(jìn)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的項(xiàng)目。除RE-NET項(xiàng)目之外，其他項(xiàng)目還包括革命性假肢、恢復(fù)編碼存儲(chǔ)器集成神經(jīng)裝置、重組和可塑性加速傷勢(shì)恢復(fù)、提高抗壓等。DARPA還在研制用于神經(jīng)科學(xué)研究和治療的傳感器（如手本體感覺(jué)和觸摸界面、電子處方），以及將模擬大腦用于復(fù)雜信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。（中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院  丁宏）