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。
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。
美國(guó)防部先進(jìn)項(xiàng)目研究局（DARPA）與威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的研究人員共同研發(fā)出一項(xiàng)人腦研究技術(shù)，可探究人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系。該技術(shù)用石墨烯做傳感器，厚度僅相當(dāng)于4個(gè)原子，首次可兼容光學(xué)和電學(xué)手段同時(shí)觀測(cè)。研究報(bào)告最近刊登在《自然。通訊》雜志上。
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。
“這一技術(shù)表明，在對(duì)腦部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)進(jìn)行可視化和量化處理方面，我們或許會(huì)有重大突破?！盌ARPA項(xiàng)目主管多哥。韋伯說(shuō)。
據(jù)報(bào)道，這一新設(shè)備利用石墨烯做傳感器，可以導(dǎo)電，但厚度不到一納米，并且比現(xiàn)在的金屬觸點(diǎn)細(xì)了幾百倍。這么細(xì)的材料可以讓大部分波段的幾乎所有光通過(guò)，從而使光學(xué)和電學(xué)手段在這里相互兼容。此外，石墨烯對(duì)生物系統(tǒng)無(wú)毒害，比之前的試驗(yàn)材料進(jìn)步了許多。
石墨烯獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，超分辨熒光顯微鏡摘得了2014年化學(xué)獎(jiǎng)。目前，腦功能研究的技術(shù)支柱是神經(jīng)元信號(hào)電子監(jiān)控與模擬，而新興的光學(xué)技術(shù)利用光子進(jìn)行研究，從而為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可視化以及腦結(jié)構(gòu)開發(fā)開辟了新路。電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相互區(qū)別同時(shí)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，如果一起利用，將可能有利于進(jìn)行高分辨率腦部研究。在此次研究之前，這些技術(shù)的融合并非易事，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的金屬電極太厚，往往大于500納米，所以難以透光，進(jìn)而與許多光學(xué)技術(shù)不兼容。
透析腦部的解剖結(jié)構(gòu)與功能一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所追求的目標(biāo)，同時(shí)也是奧巴馬政府“人腦計(jì)劃”研究項(xiàng)目的重中之重。DARPA希望下一代神經(jīng)科學(xué)技術(shù)可以反映出神經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系?？蒲腥藛T希望提升這一新研發(fā)工具的性能，從而可以同時(shí)測(cè)量任意移動(dòng)目標(biāo)的神經(jīng)元功能、動(dòng)態(tài)和行為。
韋伯說(shuō)：“現(xiàn)在，我們有機(jī)會(huì)直接一探究竟，去觀察、測(cè)量和模擬神經(jīng)回路，從而探索這些聯(lián)系，并確認(rèn)大腦回路的功能。這一發(fā)現(xiàn)能幫助我們有效了解和治愈腦部創(chuàng)傷與疾病。”
40多年來(lái)，該機(jī)構(gòu)從互聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、隱身戰(zhàn)機(jī)、激光武器到當(dāng)前炙手可熱的X-37B空天飛機(jī)，幾乎涉及了從基礎(chǔ)研究到高端應(yīng)用的所有領(lǐng)域，引領(lǐng)著美國(guó)乃至世界軍民高技術(shù)研發(fā)的潮流，是美國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)力的保證。因此，本項(xiàng)技術(shù)不光為人腦研究提供了“既看得見又測(cè)得準(zhǔn)”的新方法，有望推動(dòng)人工智能研究和人機(jī)物理接口開發(fā)，同時(shí)還是研究美國(guó)高科技布局并尋找彎道超車途徑的一個(gè)典型案例。
