新型高性能人工神经问世 助力脑机接口与神经修复技术进步

近年来，随着脑科学、再生医学和人工智能等领域的深度发展与不断融合，生物神经修复以及脑机接口等技术逐渐从理论构想到实际应用，这标志着相关研究朝着更为实际化的方向迈进。人工神经作为这些技术的关键元素，其设计和性能直接影响到临床神经修复效果以及脑机接口的实际应用。

人工神经的主要功能是在神经系统中放大、整合、传递微弱且高频的生物电信号，例如高达1千赫兹、低于50毫伏的信号。而要实现这一点，人工神经必须具备快速的信号响应能力、高放大能力以及出色的生物相容性，以保证其能与生物组织长期稳定地连接。传统的硅基电路虽然在性能上极其出色，但却在生物相容性、结构复杂性以及对生物化学信号响应方面存在显著不足，使得其在神经修复和脑机接口应用中面临诸多挑战。

针对这些问题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室的马伟教授及其研究团队，近期研发出了一种具有梯度双连续结构（GIBS）的垂直有机电化学晶体管（v-OECT），这项研究成果已于3月10日发表在《自然-电子》上。GIBS结构的设计使该人工神经具备出色的生物相容性与化学调控能力，具备了更快的信号响应速度和更强的电导性能，能够更好地模拟自然神经信号的传递过程。

研究显示，基于GIBS的突触器件的响应速度比之前提升了2000倍，相关神经元电路的脉冲发放频率超越以往OECT轴突-轴丘电路目标的5倍，这一突破对于神经修复和脑机接口领域的发展将产生深远的影响。尤其是在恢复神经功能方面，该人工神经已成功使神经功能受损的小鼠恢复了条件反射能力，显示了出色的临床潜力。

GIBS结构是在聚合物半导体的垂直沟道上，顺序沉积离子导体，形成连续的电子和离子传输通道。这一设计巧妙地解决了传统结构中电荷与离子难以同时高效传输的问题。同时，GIBS还能够有效抑制上层离子导体对下层聚合物半导体的结晶结构的干扰，提供高离子脱嵌势垒，从而实现离子的长期存储，确保了执行良好的电导记忆性能。

重要的是，上层的离子导体也促进了细胞的生长，从而为器件提供优良的生物相容性神经界面。借助这一“一石三鸟”的设计，该人工神经的整体性能达到了当前已报道的n型OECT中的最高水平。在感受器方面，它能够对光、电、化学等多模态信号实现高度灵敏的响应；而作为神经元，则能够凭借互补反相器实现248V/V的高电压增益和1.5kHz的高截止频率；作为神经突触，它还能够实现100kHz的高频电写和长时间的电导记忆。

这一新型人工神经的组成，除了出色的生物相容性和植入稳定性外，能够在钙离子的介导下以超过250Hz的频率实现对外界信号的感知、处理和记忆，涵盖了所有已知生物神经的刷新频率范围。这为各种神经系统疾病的治疗开辟了新的道路，尤其是针对脊髓损伤和周围神经损伤等临床难题展现出积极的应用前景。

而言，这项新型高性能人工神经的研发，标志着神经修复及脑机接口技术的重大进展，为未来的神经再生和各类与神经系统相关的治疗提供了新的思路。这不仅展现了尖端材料科技与生物医学交叉研究的潜力，也为人类揭开了解决神经损伤修复难题的新篇章。相关领域的研究者们对于这一成果充满期待，并认为它有望在实际临床应用中发挥重要作用。