美國將利用石墨烯傳感器技術研究人腦

　　新的設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電性，但僅有4個原子的厚度，其厚度小于1納米，比目前的接口傳感器厚度小數百倍。由于厚度極小，在較寬的波長范圍內都具有很強的透光性。

　　了解大腦解剖結構和功能是神經科學的長期研究目標，也是美國總統奧巴馬“腦科學計劃”的重中之重。基于電子學的監測和神經信號刺激是研究腦功能的支柱技術，而新興的光學技術可以利用光子取代電子對神經網絡結構進行可視化，從而為探索大腦功能提供新機遇。如果能將電子學與光學技術協同使用，兩者優勢互補，可以獲得更清晰、分辨率更高的腦結構圖像。然而，要將這兩者結合具有挑戰性，因為常規的金屬電極厚度太大(大于500納米)，難以透光，這使得電子學成像方法與許多光學方法不相容。

　　美國防部先進項目研究局(DARPA)與威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員共同研發出一項人腦研究技術，可探究人腦神經結構與功能的聯系。該技術用石墨烯做傳感器，厚度僅相當于4個原子，首次可兼容光學和電學手段同時觀測。研究報告最近刊登在《自然。通訊》雜志上。

　　為了克服這些挑戰，美國國防先期研究計劃局(DARPA)創造性地提出了小型化、透明接觸、電光結合的概念驗證方法。在DARPA可靠神經接口技術(RE-NET)項目的支持下，美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發了新的腦結構研究技術，相關的細節發表在《自然。通信》期刊上。

　　DARPA項目經理道格。韋伯稱，這項技術表明對大腦中神經網絡活動進行可視化和量化具有重大的突破潛力。利用該技術，可以在大范圍快速觀測神經網絡的活動，前所未有地深入了解大腦結構和功能，更重要的是，可以了解大腦各結構的關系，以及這些關系如何隨著時間推移或因傷病而發生變化。

　　新的設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電性，但僅有4個原子的厚度，其厚度小于1納米，比目前的接口傳感器厚度小數百倍。由于厚度極小，在較寬的波長范圍內都具有很強的透光性。而且，石墨烯對生物系統無毒性，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。

　　這項技術結合了三個領域的前沿技術：石墨烯技術，這項技術使研究者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎;超分辨率熒光顯微鏡，其研究人員獲得了2014年諾貝爾化學獎;光遺傳學，這涉及細胞遺傳修飾創建特定的光反應性蛋白質。

　　RE-NET項目旨在開發了解和克服神經接口失效機理的新工具和技術。DARPA希望推動下一代神經技術來揭示神經網絡和功能之間的關系。RE-NET計劃和DARPA在該研究領域的后續項目希望通過利用新工具來測量電/光脈沖刺激下的神經元的物理運動和反應。因此，這項技術不僅可以提供更好的觀察神經系統自身機能的機會，而且可以通過對刺激和反射回路進行精心調制，探索神經信號和大腦之間的因果關系。這對于研究人員了解大腦、治療腦部傷病具有重大的促進作用。

　　DARPA為響應奧巴馬政府的腦科學計劃啟動了一批旨在提到對大腦動態和機制的了解、推進相關技術應用的項目。除RE-NET項目之外，其他項目還包括革命性假肢、恢復編碼存儲器集成神經裝置、重組和可塑性加速傷勢恢復、提高抗壓等。DARPA還在研制用于神經科學研究和治療的傳感器(如手本體感覺和觸摸界面、電子處方)，以及將模擬大腦用于復雜信號處理和數據分析領域。

　　“這一技術表明，在對腦部神經網絡活動進行可視化和量化處理方面，我們或許會有重大突破。”DARPA項目主管多哥。韋伯說。

　　據報道，這一新設備利用石墨烯做傳感器，可以導電，但厚度不到一納米，并且比現在的金屬觸點細了幾百倍。這么細的材料可以讓大部分波段的幾乎所有光通過，從而使光學和電學手段在這里相互兼容。此外，石墨烯對生物系統無毒害，比之前的試驗材料進步了許多。

　　石墨烯獲2010年諾貝爾物理學獎，超分辨熒光顯微鏡摘得了2014年化學獎。目前，腦功能研究的技術支柱是神經元信號電子監控與模擬，而新興的光學技術利用光子進行研究，從而為神經網絡結構的可視化以及腦結構開發開辟了新路。電子技術和光學技術相互區別同時優勢互補，如果一起利用，將可能有利于進行高分辨率腦部研究。在此次研究之前，這些技術的融合并非易事，因為傳統的金屬電極太厚，往往大于500納米，所以難以透光，進而與許多光學技術不兼容。

　　透析腦部的解剖結構與功能一直是神經科學領域所追求的目標，同時也是奧巴馬政府“人腦計劃”研究項目的重中之重。DARPA希望下一代神經科學技術可以反映出神經網結構和功能的關系。科研人員希望提升這一新研發工具的性能，從而可以同時測量任意移動目標的神經元功能、動態和行為。

　　韋伯說：“現在，我們有機會直接一探究竟，去觀察、測量和模擬神經回路，從而探索這些聯系，并確認大腦回路的功能。這一發現能幫助我們有效了解和治愈腦部創傷與疾病。”

　　40多年來，該機構從互聯網、全球定位系統、隱身戰機、激光武器到當前炙手可熱的X-37B空天飛機，幾乎涉及了從基礎研究到高端應用的所有領域，引領著美國乃至世界軍民高技術研發的潮流，是美國科技競爭力的保證。因此，本項技術不光為人腦研究提供了“既看得見又測得準”的新方法，有望推動人工智能研究和人機物理接口開發，同時還是研究美國高科技布局并尋找彎道超車途徑的一個典型案例。