在這里介紹和芝加哥大學材料學實驗室合作研發(fā)的采用硅納米技術的神經(jīng)調(diào)控方法。

這段時間，網(wǎng)上關于中國芯的討論很激烈。電子芯片主要用什么材料造的呢？硅，大家都知道。為什么用硅呢？一個是便宜，遍地的沙子都含硅。更主要的是它是半導體，是導電性能可以被控制的材料。利用這個性質(zhì)，硅可以被制成三極管，控制它導通或絕緣來代表1和0.再把它們（此處省略互補金屬氧化物半導體場效應管制造工藝）組合起來可以實現(xiàn)二進制的邏輯運算。這就完成了數(shù)字計算機的一個基本單元。

硅除了可以用來做二極管，三極管，組合集成電路，造計算芯片，還能用來干什么呢？嗯，調(diào)控腦神經(jīng)功能。

為什么要調(diào)控腦神經(jīng)功能？這個問題仁者見仁，智者見智。首先，患有神經(jīng)疾病的人，比如癲癇，帕金森，老年癡呆患者想要恢復正常；耳聾、失明的人想要獲得對外部世界的感知；癱瘓病人想要重新控制肢體。更進一步，想直接從計算機數(shù)據(jù)庫里獲得沒有保存在自己記憶里的知識，實現(xiàn)腦機直接信息交互。這些都需要某種手段將特定信息直接寫入腦內(nèi)。

要想調(diào)控腦神經(jīng)活動，我們首先要了解下大腦的運行原理。腦組織是由多種細胞構成的，它們連接成具有特定組織結構的龐大神經(jīng)網(wǎng)絡對體內(nèi)和外界的信息進行處理。這些信息的主要處理單元就叫神經(jīng)元。神經(jīng)元上排布有大量的離子通道，這些離子通道可以被特定神經(jīng)遞質(zhì)（腦內(nèi)細胞分泌的化學物質(zhì)）結合而控制通道的開合。也有些離子通道可以被電荷、力和熱等外界刺激打開。平時神經(jīng)元主動保持細胞內(nèi)負外正的電壓。當離子通道被外部刺激打開后，內(nèi)外壓差縮小，直到超過某個閾值，迸發(fā)出一個大的電脈沖，沿著軸突傳播，并在軸突末端釋放大量神經(jīng)遞質(zhì)，刺激這個軸突末端附近的神經(jīng)元。這樣可以實現(xiàn)一連串的神經(jīng)元被激活，信息也就被處理和傳遞了。

這樣看來，只要通過某種手段刺激神經(jīng)元，讓神經(jīng)元產(chǎn)生電脈沖，就可以把信息寫入腦內(nèi)了。那我們具體該怎么做？可以想到的是，一類是向神經(jīng)元附近注射神經(jīng)遞質(zhì)的化學刺激；另一類是采用電、熱、力的物理刺激。比如將導藥管植入腦內(nèi)注藥（神經(jīng)遞質(zhì)或抑制它起效的拮抗劑），植入漆包線做電極在腦內(nèi)放電，都能實現(xiàn)對腦神經(jīng)的有效刺激。但是，精度很沒準，一下刺激一大片。尤其注藥，時機還不好控制。這樣我們就沒法給大腦傳遞精確的信息了。還有個大問題，如果要向多個腦區(qū)傳遞信息，就得多插幾根導管或電極，對腦的損傷也是夠大了。

把這些傳輸刺激物的導管和電極取消，采用無線刺激吧。于是，光遺傳技術就發(fā)明了。通過基因工程手段，把光敏感離子通道的基因通過病毒做載體，轉(zhuǎn)染到神經(jīng)元上并表達出這種通道蛋白。于是這個神經(jīng)元就可以被光照激發(fā)電脈沖了。目前這項技術在神經(jīng)生物學基礎研究領域獲得了很廣泛的應用，給蟲子用，給老鼠用。但是要給人用就遇到了個很大的障礙---轉(zhuǎn)基因，還是用病毒轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在人們連吃個轉(zhuǎn)基因大豆油都要爭個天昏地暗，更別說往腦袋里打病毒，直接轉(zhuǎn)基因給自己的腦神經(jīng)了。

光遺傳原理示意

那有沒有可替代方案呢？從原理上講，光遺傳技術就是以光敏感離子通道作為換能器件，把光能轉(zhuǎn)化成生物化學能來驅(qū)動神經(jīng)元離子通道的開放，誘導神經(jīng)電脈沖。那么，我們采用其他高生物相容性的換能器件把光能轉(zhuǎn)化成能打開神經(jīng)元上離子通道的刺激（比如電，熱，力）能量，也可能誘導出神經(jīng)電脈沖。以前用電極對神經(jīng)元做電刺激成功的經(jīng)驗告訴我們，通過激活神經(jīng)元上電壓敏感離子通道引發(fā)神經(jīng)電脈沖是靠譜的。因此，我們就想嘗試用光電換能器件來刺激神經(jīng)元。

接著我們篩選和分析了能做這個換能器件的材料，目標是既要保證高生物相容性，又要保證高光電轉(zhuǎn)換效率，并且可能使用近紅外光激發(fā)，而且較容易加工。最終我們也選擇了硅。當然我們沒有拿它做三極管，而是借鑒光敏二極管的原理，在硅晶體中摻雜，一端獲得帶正點荷的載流子（晶格中缺少電子的空穴），形成P型硅；另一端獲得帶負點荷的載流子（自由電子），形成N型硅；P型區(qū)和N型區(qū)產(chǎn)生交界面（PN結）。當光照時，光子可以驅(qū)動晶體中的載流子向?qū)?cè)區(qū)移動，在PN交界面就產(chǎn)生了電壓，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。通過測試，我們發(fā)現(xiàn)把硅做成PIN二極管（P型和N型中間加一層不摻雜的硅）結構可以有更大的光電轉(zhuǎn)換率，也發(fā)現(xiàn)總有部分光能轉(zhuǎn)化成了熱能，而且尺寸越小的材料，光熱轉(zhuǎn)換率越高。當用納米線測試時，光熱效應就占主體了。

這里就出了個插曲，我們本打算只利用光電效應來刺激神經(jīng)元，但發(fā)現(xiàn)光電和光熱轉(zhuǎn)換是同時存在的，而且隨著材料尺寸增大，電熱比例也在提高。慶幸的是，我們知道電和熱都可能作為刺激神經(jīng)元的手段，那么不同尺寸的硅材料就都有可能找到它們的用武之地了。

讓我們從最小的硅納米線講起。當把它們注入培養(yǎng)的神經(jīng)組織后，我們發(fā)現(xiàn)幾乎只有膠質(zhì)細胞才可以把它們吞進去，神經(jīng)元是不行的。膠質(zhì)細胞本來就是神經(jīng)組織中的清潔工，吞噬能力強，能吞進硅納米線不足為奇。而當我們用光照射一個膠質(zhì)細胞內(nèi)的納米線時，驚喜地發(fā)現(xiàn)，它激活了膠質(zhì)細胞體內(nèi)的鈣離子流動，而且還可以依次激活周邊的膠質(zhì)細胞甚至神經(jīng)元內(nèi)的鈣離子流。已經(jīng)有不少文獻報道，在神經(jīng)系統(tǒng)中，膠質(zhì)細胞可以主動調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動。這樣看來，我們不但證實了膠質(zhì)細胞有這個能力，而且還發(fā)現(xiàn)了一個可以精確控制這個調(diào)節(jié)過程的工具。以前在《神經(jīng)元》中報道過用金顆粒直接熱刺激神經(jīng)元的方法。金作為高效能的光熱轉(zhuǎn)換材料，會不會不慎把神經(jīng)元燙壞呢？確實不好說。我們使用較低光熱轉(zhuǎn)化率的硅納米線，借助膠質(zhì)細胞間接調(diào)控神經(jīng)元活動，不失為一個更為安全和豐富的方法。

胞內(nèi)光熱刺激原理示意

那么，我們現(xiàn)在要電--于是做成面積夠大的硅膜就有了電。把細胞養(yǎng)在上邊，把腦片貼在上邊都可以。再也不需要拿著針狀的電極去戳著細胞電了，只要用匯聚的光斑照在硅膜上，挨在上邊的細胞就能被激活。值得注意的是，被激發(fā)放電的硅膜面積嚴格限制在光斑中心區(qū)，附近的細胞不會被激活。這是個可以達到微米級精度的電刺激方法，是傳統(tǒng)電極刺激不敢想象的。我們覺得這片硅膜以后能成為分析腦神經(jīng)網(wǎng)絡連接的利器，強烈推薦在模式動物的腦連接組生理實驗中采用。

胞外光電刺激原理示意

講了這些，又是培養(yǎng)細胞，又是腦片的，活的動物腦上能用嗎？起碼給點往人用上發(fā)展的希望啊。當然可以，不過做動物腦內(nèi)實驗時我們確實遇到了新挑戰(zhàn)。一個是腦表面是個曲面，硅膜較脆不容易貼附牢固，二是腦皮層有一定厚度，需要持續(xù)地產(chǎn)生電荷保證刺激效果。我們通過把硅膜改成網(wǎng)狀減小應力，接著在它表面修飾一層金膜來增強氧化還原反應，解決了這倆難題。我們用小鼠做了個較簡單的實驗來驗證效果以及評估未來在腦機接口方面的應用價值。思路是，把硅網(wǎng)貼附在鼠腦的初級運動皮層上，硅網(wǎng)旁邊插上電極陣列。然后用較大的光斑照射硅材料，激活較大范圍的神經(jīng)元，神經(jīng)元產(chǎn)生的電脈沖被電極陣列采集，鑒定刺激效果。因為初級運動皮層是直接控制動物行動的，如果我們刺激的位置和強度到位，可以讓麻醉小鼠的胳膊動起來。真的成功了。很神吧，有沒覺得控制人夢游的玄幻情景其實離得并不遠呢？確實不遠，把硅網(wǎng)注進腦內(nèi)，用近紅外光隔著頭皮和顱骨照射就可以激發(fā)光電轉(zhuǎn)換，激活神經(jīng)元，不用給腦袋開天窗了。當然，真做到復雜且精準的遙控，還需要我們對腦神經(jīng)功能回路做更細致的分析，充分掌握神經(jīng)信息節(jié)點，才能高度有的放矢地輸入指令。

我們的光電神經(jīng)遙控工作就先講到這里。如前邊原理介紹部分提過的，有可能對腦內(nèi)神經(jīng)元有效刺激的原理和方法其實有不少。通過能量轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對神經(jīng)元無線遙控，并且可以控制動物行動的技術，除了廣為人知的光遺傳方法，還有我們今天介紹的硅光電器件的生物物理方法。當然，繼續(xù)發(fā)掘和發(fā)展，利用光、電磁、超聲等無線傳輸能量和多種換能器件（無論借助生物化學還是生物物理原理）結合，都有可能實現(xiàn)新的腦神經(jīng)遙控技術。另一方面，是腦神經(jīng)信號遙感技術。和腦神經(jīng)遙控技術類似，也可以有基于多種原理的實現(xiàn)方法。正在發(fā)展中的借助超聲和壓電器件組合--neuraldust（神經(jīng)塵埃）的神經(jīng)信號無線讀取技術就是一個例子。這是別人的工作，就不多嘴了。

回到我們這，我們在這里拋磚引玉地介紹自己的創(chuàng)新研究，一方面是希望從腦機接口技術的革命性方向給大家提供些新的啟發(fā)。另一方面是想大力推薦跨學科大交叉聯(lián)合創(chuàng)新。不知大家get了嗎？