北京大学张敏ACS Nano：双语双向可拉伸的自愈合神经元！

人工神经形态器件在神经逻辑和认知功能方面发挥着重要作用，可广泛应用于神经康复、人机交互和智能机器人等领域。通过赋予神经形态器件软性和可拉伸的特性，使其能够适应各种不可预测的变形情况，还能够提高信号采集的准确性和佩戴的舒适性。然而，这些器件仍然容易受到严重的机械损伤（如穿刺、撕裂和切割），限制了它们在实际应用中的可靠性和使用寿命。因此，理想的可拉伸人工神经形态器件还应具备自愈能力，以在经历机械损伤后恢复其结构和性能。此外，在生物神经系统中，同一神经元的突触在相同刺激下可以表现出相反的可塑性形式，以支持一系列复杂的神经功能。然而，目前可拉伸的神经形态器件仅能实现基本的单突触行为，无法满足复杂神经系统的需求。

有鉴于此，北京大学张敏课题组在纳米科学和纳米技术研究领域国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Bilingual Bidirectional Stretchable Self-healing Neuristors with Proprioception”（DOI: 10.1021/acsnano.3c03212）的文章，成功实现了一种具有双向响应、自愈合能力，并能够模拟生物本体感受功能的可拉伸神经形态器件。

该研究提出一种可拉伸的双语双向自修复神经形态器件（Bilingual Bidirectional Stretchable Self-healing Neuristor，BBSSN）。BBSSN由金属型碳纳米管（M-CNTs）/聚氨酯脲（PUU）/M-CNTs/PDMS层叠结构组成。其中，M-CNTs网络在受到机械应力时仍能保持良好的接触，PUU弹性体不仅具备极好的拉伸性，也能够在促进离子解离和传输的同时抑制电子泄漏电流，是适用于可拉伸人工神经形态器件的理想材料。此外，为了最小化BBSSN每个功能层之间的界面损伤并最大化材料优势，研究者采用了范德华力集成技术，通过此方法制成的BBSSN阵列可以像纹身一样贴合于身体上，并能够承受各种类型的机械变形，表明其在大规模生产和可穿戴电子方面的潜力。

图1 BBSSN的示意图和制备

BBSSN能够模拟近似生物动作电位的复杂神经动力学，为神经调节提供更多的可能性。由于PUU内部的离子迁移和界面离子所形成的内部电场之间的耦合作用，BBSSN能够在单个神经前脉冲触发下产生两个连续的相反相位的突触后电流，从而呈现出双语双向响应的特性。这使BBSSN具备了通过多种形式的可塑性实现大规模并行信息处理的潜力。

图2 BBSSN的双语双向响应和原理

此外，双脉冲行为也是反应神经系统处理信息能力的范例方法。由于BBSSN的双语双向响应能力，由成对的突触前脉冲触发的突触后电流可以模拟生物突触中所观察到的抑制和促进的共存现象。据此，BBSSN对成瘾物质表现出戒断和耐受的生物自适应力。模拟人类在暴露于诸如酒精、尼古丁和可卡因等成瘾物质时，触发神经系统的奖励和强化通路，引发愉悦和舒适感。而当成瘾物质的刺激消失时，它们的代谢产物通过血液循环到达大脑，激活抑制性神经元，导致一种沮丧状态。此外，重复刺激无法使BBSSN产生与初始刺激相同的满足感，反而每次后续脉冲都会逐渐加强负面反应，为了达到与初始刺激相同的快感水平，需要增加刺激的强度，这类似于许多具有成瘾性物质对人造成的情况。

图3 BBSSN对成瘾和戒断反应的模拟

进一步，BBSSN还具有自愈合的自我保护机制，可以促进受到损伤的神经自主恢复其功能。这种自愈合能力源于聚氨酯脲材料中形成的两个脲基之间的四重氢键以及芳香二硫键的存在，这为损伤修复提供了丰富的交联位点。这使得BBSSN能够在两个小时内自愈严重的机械损伤，并且能够在愈合后连续稳定地实现双语双向的神经功能。这一特性消除了神经形态电子学在实际应用中的限制，并进一步提高了信息传输和处理的效率和稳健性。

图4 BBSSN的自愈合性能

此外，研究者还开发了BBSSN作为具有本体感知功能的人工传出神经。BBSSN在相同的输入信号下展示出相反的突触行为，即抑制和增强模式，这可以主导协同作用和拮抗作用肌肉的同步收缩和放松，从而控制生物运动反应，维持平衡。此外，BBSSN还能通过调节发放频率来控制肌肉的运动和力量，类似于生物肌纤维的招募反应。有趣的是，随着应变增加，聚合物链之间的相互作用减弱，从而降低了聚氨酯脲中的离子传输能力，进一步降低了BBSSN突触后电流的响应能力，这使得其能够同时实现对应变的感知和处理，有效预防肌肉过度损伤，并为生物体在黑暗中绕过障碍物、操纵视线外的物体、引导运动和姿势提供了有意识的感觉。

图5 BBSSN模拟运动传出神经

小结：作者展示了一种具有本征可拉伸和自愈能力的人工神经形态器件，能够实现双语双向响应，并在模拟各种复杂生物行为方面显示出非凡的潜力，如抑制和促进的共存、戒断和成瘾反应。BBSSN不仅能够协同地向肌肉传递相反的神经信号，还通过整合突触功能和本体应变感知，防止肌肉过度拉伸。此外，BBSSN具备自愈能力，使得人工神经形态器件能够在两小时内从机械损伤中恢复，从而克服了当前可拉伸神经形态电子学的应用和稳定性限制。这些研究为增进对生物系统的理解，改善机器人与物理环境的互动，以及恢复神经系统疾病患者的情绪调节和运动能力提供了机会和潜力。

该工作由张敏课题组独立完成，论文通讯作者为张敏副教授，2021级硕士生邱睿为第一作者，博士生朱家豪、刘德行，硕士王佳鑫、任沁琦、黄巍宏、高新宇、王婉婷、刘奇也做出了重要贡献。上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c03212

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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