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?qū)崿F(xiàn)這么高效而復雜的功能？為什么大腦需要睡眠？大腦中形成記憶、意識的最小單位和物質(zhì)基礎(chǔ)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(fā)表了題為《通過中紅外刺激實現(xiàn)神經(jīng)信號與動物行為的非熱、可逆調(diào)控》的論文，首次從理論和實驗雙重角度發(fā)現(xiàn)并提出了神經(jīng)信號和腦功能調(diào)控的新機制和新策略，在學界引起了強烈反響。
美國科學院院報《PNAS》
這一成果由上海理工大學未來光學實驗室宋波課題組聯(lián)合復旦大學舒友生課題組、中國科學技術(shù)大學溫泉課題組、國防科技創(chuàng)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(shù)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(jīng)系統(tǒng)的認識，提出了一種全新的神經(jīng)信號調(diào)控原理，有望為治療老年癡呆癥、帕金森癥等神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)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(shè)計、能源存儲轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的發(fā)展。”宋波教授說。
目前，多種神經(jīng)調(diào)控方法已經(jīng)用于臨床治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括深部腦刺激、跨顱直流電刺激、跨顱磁刺激等。其中，近紅外光刺激作為一種重要的神經(jīng)調(diào)控策略，常用于腦功能的研究，但近紅外光在調(diào)節(jié)過程中可能產(chǎn)生過量的熱，損傷附近的細胞和組織，導致神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)異常等副作用，不夠安全可靠。
宋波教授和朱智博士。上海理工大學供圖
宋波團隊與合作團隊經(jīng)過近5年的深入研究，最終從量子光學領(lǐng)域找到了解決方法。這項跨量子物理、分子生物學、神經(jīng)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(fā)現(xiàn)，可為腦科學發(fā)展提供嶄新的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。“研究顯示，生物體內(nèi)存在可發(fā)射特征頻率中遠紅外光的光源，其發(fā)射出的光子可高效驅(qū)動細胞內(nèi)的生化反應(yīng)、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(jīng)細胞，實現(xiàn)了高選擇性、可逆地共振調(diào)控神經(jīng)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。
以此成果為基礎(chǔ)，宋波教授課題組將繼續(xù)探索腦科學的新機理、新構(gòu)架，并聯(lián)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(fā)腦科學啟發(fā)的新方案、新技術(shù)。
來源：人民日報 記者：姜泓冰
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