新的設(shè)備將石墨烯附著在柔性的塑料襯里上，使其貼合組織的形狀。石墨烯傳感器具有導(dǎo)電性，但僅有4個原子的厚度，其厚度小于1納米，比目前的接口傳感器厚度小數(shù)百倍。由于厚度極小，在較寬的波長范圍內(nèi)都具有很強的透光性。

了解大腦解剖結(jié)構(gòu)和功能是神經(jīng)科學的長期研究目標，也是美國總統(tǒng)奧巴馬“腦科學計劃”的重中之重。基于電子學的監(jiān)測和神經(jīng)信號刺激是研究腦功能的支柱技術(shù)，而新興的光學技術(shù)可以利用光子取代電子對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行可視化，從而為探索大腦功能提供新機遇。如果能將電子學與光學技術(shù)協(xié)同使用，兩者優(yōu)勢互補，可以獲得更清晰、分辨率更高的腦結(jié)構(gòu)圖像。然而，要將這兩者結(jié)合具有挑戰(zhàn)性，因為常規(guī)的金屬電極厚度太大（大于500納米），難以透光，這使得電子學成像方法與許多光學方法不相容。

美國防部先進項目研究局（DARPA）與威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員共同研發(fā)出一項人腦研究技術(shù)，可探究人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系。該技術(shù)用石墨烯做傳感器，厚度僅相當于4個原子，首次可兼容光學和電學手段同時觀測。研究報告最近刊登在《自然。通訊》雜志上。

為了克服這些挑戰(zhàn)，美國國防先期研究計劃局（DARPA）創(chuàng)造性地提出了小型化、透明接觸、電光結(jié)合的概念驗證方法。在DARPA可靠神經(jīng)接口技術(shù)（RE-NET）項目的支持下，美國威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發(fā)了新的腦結(jié)構(gòu)研究技術(shù)，相關(guān)的細節(jié)發(fā)表在《自然。通信》期刊上。

DARPA項目經(jīng)理道格。韋伯稱，這項技術(shù)表明對大腦中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動進行可視化和量化具有重大的突破潛力。利用該技術(shù)，可以在大范圍快速觀測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動，前所未有地深入了解大腦結(jié)構(gòu)和功能，更重要的是，可以了解大腦各結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及這些關(guān)系如何隨著時間推移或因傷病而發(fā)生變化。

新的設(shè)備將石墨烯附著在柔性的塑料襯里上，使其貼合組織的形狀。石墨烯傳感器具有導(dǎo)電性，但僅有4個原子的厚度，其厚度小于1納米，比目前的接口傳感器厚度小數(shù)百倍。由于厚度極小，在較寬的波長范圍內(nèi)都具有很強的透光性。而且，石墨烯對生物系統(tǒng)無毒性，明顯不同于以前厚度很大、難以制造且可能具有毒性的傳感器合金材料。

這項技術(shù)結(jié)合了三個領(lǐng)域的前沿技術(shù)：石墨烯技術(shù)，這項技術(shù)使研究者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎；超分辨率熒光顯微鏡，其研究人員獲得了2014年諾貝爾化學獎；光遺傳學，這涉及細胞遺傳修飾創(chuàng)建特定的光反應(yīng)性蛋白質(zhì)。

RE-NET項目旨在開發(fā)了解和克服神經(jīng)接口失效機理的新工具和技術(shù)。DARPA希望推動下一代神經(jīng)技術(shù)來揭示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和功能之間的關(guān)系。RE-NET計劃和DARPA在該研究領(lǐng)域的后續(xù)項目希望通過利用新工具來測量電/光脈沖刺激下的神經(jīng)元的物理運動和反應(yīng)。因此，這項技術(shù)不僅可以提供更好的觀察神經(jīng)系統(tǒng)自身機能的機會，而且可以通過對刺激和反射回路進行精心調(diào)制，探索神經(jīng)信號和大腦之間的因果關(guān)系。這對于研究人員了解大腦、治療腦部傷病具有重大的促進作用。

DARPA為響應(yīng)奧巴馬政府的腦科學計劃啟動了一批旨在提到對大腦動態(tài)和機制的了解、推進相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的項目。除RE-NET項目之外，其他項目還包括革命性假肢、恢復(fù)編碼存儲器集成神經(jīng)裝置、重組和可塑性加速傷勢恢復(fù)、提高抗壓等。DARPA還在研制用于神經(jīng)科學研究和治療的傳感器（如手本體感覺和觸摸界面、電子處方），以及將模擬大腦用于復(fù)雜信號處理和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。

“這一技術(shù)表明，在對腦部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動進行可視化和量化處理方面，我們或許會有重大突破。”DARPA項目主管多哥。韋伯說。

據(jù)報道，這一新設(shè)備利用石墨烯做傳感器，可以導(dǎo)電，但厚度不到一納米，并且比現(xiàn)在的金屬觸點細了幾百倍。這么細的材料可以讓大部分波段的幾乎所有光通過，從而使光學和電學手段在這里相互兼容。此外，石墨烯對生物系統(tǒng)無毒害，比之前的試驗材料進步了許多。

石墨烯獲2010年諾貝爾物理學獎，超分辨熒光顯微鏡摘得了2014年化學獎。目前，腦功能研究的技術(shù)支柱是神經(jīng)元信號電子監(jiān)控與模擬，而新興的光學技術(shù)利用光子進行研究，從而為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可視化以及腦結(jié)構(gòu)開發(fā)開辟了新路。電子技術(shù)和光學技術(shù)相互區(qū)別同時優(yōu)勢互補，如果一起利用，將可能有利于進行高分辨率腦部研究。在此次研究之前，這些技術(shù)的融合并非易事，因為傳統(tǒng)的金屬電極太厚，往往大于500納米，所以難以透光，進而與許多光學技術(shù)不兼容。

透析腦部的解剖結(jié)構(gòu)與功能一直是神經(jīng)科學領(lǐng)域所追求的目標，同時也是奧巴馬政府“人腦計劃”研究項目的重中之重。DARPA希望下一代神經(jīng)科學技術(shù)可以反映出神經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。科研人員希望提升這一新研發(fā)工具的性能，從而可以同時測量任意移動目標的神經(jīng)元功能、動態(tài)和行為。

韋伯說：“現(xiàn)在，我們有機會直接一探究竟，去觀察、測量和模擬神經(jīng)回路，從而探索這些聯(lián)系，并確認大腦回路的功能。這一發(fā)現(xiàn)能幫助我們有效了解和治愈腦部創(chuàng)傷與疾病。”

40多年來，該機構(gòu)從互聯(lián)網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、隱身戰(zhàn)機、激光武器到當前炙手可熱的X-37B空天飛機，幾乎涉及了從基礎(chǔ)研究到高端應(yīng)用的所有領(lǐng)域，引領(lǐng)著美國乃至世界軍民高技術(shù)研發(fā)的潮流，是美國科技競爭力的保證。因此，本項技術(shù)不光為人腦研究提供了“既看得見又測得準”的新方法，有望推動人工智能研究和人機物理接口開發(fā)，同時還是研究美國高科技布局并尋找彎道超車途徑的一個典型案例。