在科技日新月異的今天，生物神經(jīng)修復(fù)與腦機(jī)接口技術(shù)正逐步走出實(shí)驗(yàn)室，邁向?qū)嶋H應(yīng)用。這一進(jìn)展的背后，離不開人工神經(jīng)技術(shù)的突破。人工神經(jīng)，作為連接臨床神經(jīng)修復(fù)與腦機(jī)接口的關(guān)鍵橋梁，其核心在于高效處理生物體內(nèi)微弱且高頻的信號(hào)。
傳統(tǒng)硅基電路盡管性能卓越，但在面對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)等生物化學(xué)信號(hào)時(shí)顯得力不從心，無(wú)法實(shí)現(xiàn)化學(xué)調(diào)控。其復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)、硬質(zhì)特性以及與柔軟神經(jīng)組織連接的不穩(wěn)定性，都成為制約其在人工神經(jīng)領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸。因此，開發(fā)一種新型人工神經(jīng)材料，成為科學(xué)家們亟待解決的問題。
西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馬偉教授研究團(tuán)隊(duì)，在這一領(lǐng)域取得了重大突破。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有梯度雙連續(xù)結(jié)構(gòu)（GIBS）的垂直有機(jī)電化學(xué)晶體管（v-OECT）器件，為構(gòu)建高性能、生物相容性好的人工神經(jīng)提供了可能。這一研究成果已在《自然-電子》期刊上發(fā)表。
GIBS結(jié)構(gòu)通過在聚合物半導(dǎo)體垂直溝道上順序沉積離子導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了電子和離子的高速傳輸，并解決了電荷與離子難以同時(shí)高效傳輸?shù)碾y題。這一設(shè)計(jì)不僅提高了器件的性能，還確保了良好的電導(dǎo)記憶性能。上層的離子導(dǎo)體還具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的作用，為器件提供了生物相容性的神經(jīng)界面。
具有GIBS結(jié)構(gòu)的v-OECT器件，在作為感受器時(shí)，能對(duì)光、電、化學(xué)等多模態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高靈敏響應(yīng)；作為神經(jīng)元時(shí)，能通過互補(bǔ)反相器實(shí)現(xiàn)高電壓增益和高截止頻率；作為神經(jīng)突觸時(shí)，則能實(shí)現(xiàn)高頻電導(dǎo)讀寫和長(zhǎng)時(shí)間的電導(dǎo)記憶。這一人工神經(jīng)的構(gòu)建，不僅覆蓋了所有已知生物神經(jīng)的刷新頻率范圍，還具有良好的生物相容性和長(zhǎng)期植入穩(wěn)定性。
實(shí)驗(yàn)證明，該人工神經(jīng)在植入神經(jīng)功能受損的小鼠體內(nèi)后，成功使其恢復(fù)了條件反射能力。這一成果在有機(jī)半導(dǎo)體和新興神經(jīng)電子學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，為腦機(jī)接口的開發(fā)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了新思路。特別是對(duì)于脊髓損傷、周圍神經(jīng)損傷等疾病的修復(fù)，這一研究具有積極的推動(dòng)作用。
芝加哥大學(xué)的Sihong Wang教授團(tuán)隊(duì)也對(duì)這一研究給予了高度評(píng)價(jià)。他們認(rèn)為，基于GIBS的突觸器件響應(yīng)速度得到了顯著提升，而神經(jīng)元電路則實(shí)現(xiàn)了更高的脈沖發(fā)放頻率。這一神經(jīng)元-突觸集成系統(tǒng)模仿了神經(jīng)沖動(dòng)對(duì)突觸權(quán)重的增強(qiáng)，對(duì)于神經(jīng)修復(fù)、腦機(jī)接口等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
