美国利用石墨烯传感器技术探索脑结构与功能

提示：美国国防先期研究计划局（DARPA）资助的可靠神经接口技术（RE-NET）项目使研究人员可以同时利用光学和电子学方法对神经系统进行监测和刺激。

    图：以往的金属电极（左上图）是不透明的，阻碍了对底层神经组织的观测。 DARPA的RE-NET项目开发的石墨烯传感器是导电的，且只有4个原子厚，比目前的接口传感器（上中图）薄数百倍。由于厚度极小，在较宽的波长范围内都具有很强的透光性。新的设备将石墨烯附着在柔性的塑料（聚对二甲苯）衬里上，使其贴合组织的形状（下图）。该传感器是概念验证的工具，可通过小型透明接口传感器利用电/光方法对神经组织进行观测和刺激（右上图）。

    [据DARPA官方网站2014年10月20日报道]了解大脑解剖结构和功能是神经科学的长期研究目标，也是美国总统奥巴马“脑科学计划”的重中之重。基于电子学的监测和神经信号刺激是研究脑功能的支柱技术，而新兴的光学技术可以利用光子取代电子对神经网络结构进行可视化，从而为探索大脑功能提供新机遇。如果能将电子学与光学技术协同使用，两者优势互补，可以获得更清晰、分辨率更高的脑结构图像。然而，要将这两者结合具有挑战性，因为常规的金属电极厚度太大（大于500纳米），难以透光，这使得电子学成像方法与许多光学方法不相容。

    为了克服这些挑战，美国国防先期研究计划局（DARPA）创造性地提出了小型化、透明接触、电光结合的概念验证方法。在DARPA可靠神经接口技术（RE-NET）项目的支持下，美国威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员开发了新的脑结构研究技术，相关的细节发表在《自然·通信》期刊上。

    DARPA项目经理道格·韦伯称，这项技术表明对大脑中神经网络活动进行可视化和量化具有重大的突破潜力。利用该技术，可以在大范围快速观测神经网络的活动，前所未有地深入了解大脑结构和功能，更重要的是，可以了解大脑各结构的关系，以及这些关系如何随着时间推移或因伤病而发生变化。

    新的设备将石墨烯附着在柔性的塑料衬里上，使其贴合组织的形状。石墨烯传感器具有导电性，但仅有4个原子的厚度，其厚度小于1纳米，比目前的接口传感器厚度小数百倍。由于厚度极小，在较宽的波长范围内都具有很强的透光性。而且，石墨烯对生物系统无毒性，明显不同于以前厚度很大、难以制造且可能具有毒性的传感器合金材料。

   这项技术结合了三个领域的前沿技术：石墨烯技术，这项技术使研究者获得了2010年的诺贝尔物理学奖；超分辨率荧光显微镜，其研究人员获得了2014年诺贝尔化学奖；光遗传学，这涉及细胞遗传修饰创建特定的光反应性蛋白质。

    RE-NET项目旨在开发了解和克服神经接口失效机理的新工具和技术。DARPA希望推动下一代神经技术来揭示神经网络和功能之间的关系。RE-NET计划和DARPA在该研究领域的后续项目希望通过利用新工具来测量电/光脉冲刺激下的神经元的物理运动和反应。因此，这项技术不仅可以提供更好的观察神经系统自身机能的机会，而且可以通过对刺激和反射回路进行精心调制，探索神经信号和大脑之间的因果关系。这对于研究人员了解大脑、治疗脑部伤病具有重大的促进作用。

    DARPA为响应奥巴马政府的脑科学计划启动了一批旨在提到对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目。除RE-NET项目之外，其他项目还包括革命性假肢、恢复编码存储器集成神经装置、重组和可塑性加速伤势恢复、提高抗压等。DARPA还在研制用于神经科学研究和治疗的传感器（如手本体感觉和触摸界面、电子处方），以及将模拟大脑用于复杂信号处理和数据分析领域。（中国船舶工业综合技术经济研究院  丁宏）