The Innovation Materials | 仿神经元器件：传感材料推动脑机化学交互

导 读

仿神经元器件兼具脑电与脑化学信号识别、转导及记忆功能，是新一代脑机交互技术的代表。传感材料是构筑仿神经元器件与大脑接口的关键，不仅可以精准获取神经化学物质信号，还可以实现分子或离子调控的突触可塑性与神经传递模拟。本文聚焦传感材料结构、性质及机制创新，将为发展高性能、多功能、活体大脑可植入的仿神经元器件提供前瞻视角。

图1 传感材料创新推动器件与大脑的“多语言”交流

众所周知，大脑神经元网络通过动作电位快速传递信息，脑内无数分子与离子则是大脑获取、处理、存储信息的化学物质基础。兼具电与化学两种信号模式的仿神经元器件，能够更好地“融入”大脑，可与真实神经元网络进行多模态的双向信息交流。区别于一般的神经形态器件，这类新型器件通过传感材料与脑化学物质在电极-脑界面相互作用，进而实现包含物质浓度信息的化学信号与电信号的相互转化。由于大脑环境的特殊性和复杂性，化学传感材料的创制成为当前仿神经元器件研究的热点问题。

大脑的化学物质组成高度复杂，许多共存的神经分子在常规电极-脑界面产生的电信号难以被区分。根据目标分子自身理化性质设计高选择性的活体传感材料是提升化学识别精度的关键，而目标分子与干扰物的氧化还原形式电位排序则是指导材料设计的重要标尺：针对形式电位排序占优的神经分子，设计电子态密度高、表面化学丰富的高电活性材料，从而最大限度降低其与电极反应过电位（即能垒），实现信号“选优”；针对形式电位排序不占优的神经分子，可以设计内部掺杂、具有复合结构的低电活性材料，从而调控物种的界面电子转移动力学，亦或设计具有原子级分散活性中心的电催化材料来调控物种在表面单位点的吸附行为，从而实现选择性抑制干扰物，达到信号“除杂”的目的。

柔性传感材料具有与脑组织相近的力学性质，拉伸性和弯折性较好，不仅有利于传感界面与真实神经元的无缝“对接”，还能有效降低脑组织损伤以及炎症反应带来的化学信号失真，对能够长期监测大脑活动并进行实时反馈的可植入仿神经元器件的发展具有重要意义。然而，柔性电极或器件在植入大脑的过程中普遍需要刚性支撑，而大脑与植入器件之间存在的力学界限容易导致组织机械损伤。随着最近的研究提出了一种活体原位合成无支撑全柔性生物电子器件的为大脑的无损植入提供了可能。

仿神经元器件还具有类似化学突触的记忆可塑和信号转导等化学智能特性。聚电解质限域流体体系的问世，宣告了在水相环境中模拟神经形态功能的成功，而这在过去仅能靠固态器件实现。这种流体忆阻器可利用限域空间中聚电解质材料与溶液中阴阳离子或神经分子的弱相互作用调控离子传输行为，不仅能够模拟短时程、可塑性化学信号-电信号转导等突触功能，还能够建立水相化学调控机制，为实现脑机化学交互迈出了关键一步。

总结与展望

只有读懂大脑的化学语言——神经分子、离子的动态变化规律，才能真正认识理解大脑的工作机制。通过设计类脑的化学信号响应和转导机制，向大脑发送真实神经元可识别的电或化学指令，进而调控神经元网络活动及大脑功能，实现从“只读不写”到“能读能写”的跨越，为“脑机接口”到“脑机交互”、“脑机融合”的技术发展提供新机遇，让该技术在化学、医学、神经科学、人工智能等领域具有更加广阔的应用前景。

责任编辑

于   磊   郑州大学

赵保丹   浙江大学

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原文链接：http://www.the-innovation.org/materials/article/10.59717/j.xinn-mater.2023.100007

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第1期以Commentary发表的“Neurotronics: Communicating with brain through chemically intelligent materials” (投稿: 2023-06-08；接收: 2023-06-14；在线刊出: 2023-06-17)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100007

引用格式：Wu F., Yu P., and Mao L. (2023). Neurotronics: Communicating with brain through chemically intelligent. The Innovation materials 1(1), 100007.

作者简介

吴 菲，北京师范大学化学学院，教授。致力于生物电化学传感与活体分析研究。获基金委优青项目（2022）资助。2018年入选中国科协青年人才托举工程项目，2019年入选中国科学院青年人才创新促进会。现任化学通报期刊编委。

于 萍，中国科学院化学研究所活体分析化学院重点实验室，研究员。一直致力于离子传输和神经科学的交叉研究。获国家杰青、北京市杰青、基金委优青等项目资助。2011年作为首批会员入选“中国科学院青年创新促进会”，曾获得国家自然科学二等奖、北京市科学技术一等奖、中国分析测试协会一等奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖及中国科学院王宽诚“优秀女科学家”专项奖等奖项。任Anal. Chem.、ACS Sens.、Talanta、The Innovation、Biosensors、化学通报、分析化学等期刊编委。

Web：http://yuping.iccas.ac.cn/

毛兰群，北京师范大学化学学院，教授。一直致力于脑化学活体测量、调控及功能模拟研究。曾获国家杰出青年科学基金资助、入选国家“万人计划”科技创新领军人才，曾主持完成基金委创新群体和重大、科技部国际合作等项目。在Science、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等期刊发表论文350余篇。现任ACS Sensors副主编。以第一完成人，曾获国家自然科学二等奖(2015年度)、北京市科学技术一等奖(2012年度)。

Web：http://www.chem.bnu.edu.cn/szll/jsdw/fxhxyjs/js/227714.html

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