研究表明，人腦每天需要的能量大概與一只“白熾燈泡”的耗能相當，但其容量相當于9500萬塊8TB硬盤。這就引出一系列有趣的問題：如此低功耗的大腦為什么能夠實現這么高效而復雜的功能呢？為什么大腦需要睡眠？大腦中形成記憶、意識的最小單位、物質基礎是什么？在全球腦科學研究的浪潮中，中國科研人員找到了一個突破口。
3月1日，美國科學院院報《PNAS》在線發表了題為《通過中紅外刺激實現神經信號與動物行為的非熱、可逆調控》（Nonthermal and reversible control of neuronal signaling and behavior by midinfrared stimulation）的論文，首次從理論和實驗雙重角度發現并提出了神經信號和腦功能調控的新機制和新策略，在學界引起了強烈反響。
這一成果由上海理工大學未來光學實驗室宋波課題組聯合復旦大學舒友生課題組、中國科學技術大學溫泉課題組、國防科技創新研究院常超課題組、中科院化學所毛蘭群課題組共同完成。北京師范大學博士生劉熹、西安交通大學博士生喬智、中國科學技術大學博士生柴宇明、上海理工大學朱智博士為共同第一作者。“這項研究成果顛覆了以往人們對神經系統的認識，提出了一種全新的神經信號調控原理，有望為治療老年癡呆癥、帕金森癥等神經系統相關疾病提供新思路，并且可推動類腦人工智能、化學化工、材料器件設計、能源存儲轉化等領域的發展”，宋波教授談道。
目前，多種神經調控方法已經用于臨床治療神經系統疾病，包括深部腦刺激、跨顱直流電刺激、跨顱磁刺激等。近紅外光刺激作為一種重要的神經調控策略，常用于腦功能的研究，主要是通過光熱作用影響神經細胞的電活動。然而，近紅外光在調節過程中可能產生過量的熱，損傷附近的細胞和組織，導致神經系統結構和功能出現異常等副作用。因此，學界亟待一種更安全可靠的治療策略。
針對腦科學領域中這一重大問題，宋波教授及其團隊成員與合作團隊經過近5年的深入研究，最終從量子光學領域找到了解決方法。這項跨量子物理、分子生物學、神經生物學、行為學等多個學科的研究成果被同行認為是從0到1的科學發現，可為腦科學發展提供嶄新的理論基礎和實驗依據。“我們近期研究結果顯示：生物體內存在可發射特征頻率中遠紅外光的光源，其發射出的光子可高效驅動細胞內的生化反應、生理活動。于是，我們采用中遠紅外光（即：高頻太赫茲光）來照射神經細胞，實現了高選擇性、可逆地共振調控神經元細胞膜上離子通道的活動，進而影響動物的行為。該方法對頻率具有高度的依賴性，表明這是一種全新的‘非熱’機制”，朱智博士解釋道。
據了解，課題組將以此研究成果為基礎繼續探索腦科學的新機理、新構架，并且聯合類腦人工智能、化學、化工、材料、能源等方面的專家，進一步深入開發腦科學啟發的新方案、新技術。
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2015685118
宋波教授指導朱智博士實驗
實驗原理圖
供稿：光電學院、新聞中心
