陈晓东，新加坡国家科学院院士、新加坡工程院院士，新加坡南洋理工大学材料科学与工程校长讲席教授，兼任南洋理工大学化学与医学教授，新加坡科学与技术研究院（A*STAR）材料科学与工程方向首席科学家，新加坡科技研究局材料与工程研究院科学总监, 新加坡南洋理工大学柔性器件创新中心主任和Max Planck–NTU 人工智能感知联合实验室主任，英国皇家化学会会士。2022年起担任ACS Nano主编。

陈晓东教授的主要研究方向是力材科学，数字化传感，柔性电子技术，人机交互界面等，目前在Nature，Nature Electronics，Nature Communications等期刊发表论文340余篇，引用30000余次，多项研究成果转化，曾获南洋研究奖，Lubrizol青年材料科学研究员奖，洪堡基金会贝塞尔研究奖，三井化学-SNIC产业奖等奖励。

脑机接口通常依靠电生理信号来解释和传输神经信息。然而，在生物系统中，神经递质是基于化学的中间神经元信使。这种不匹配可能会导致对传输的神经元信息的错误解释。为了与生物神经元进行化学交流，生物电子学至少应具备三个基本功能：神经递质识别、突触可塑性、动作电位的激发和神经递质的释放。

为了构建智能系统，已经开发了许多神经形态装置，例如相变神经元、人工传入神经、人工伤害感受器和光电感觉运动突触。这些系统仅对电或物理信号（例如压力、温度和光刺激）做出响应，不能直接与生物神经元交互，也不能直接感知神经递质。然而，由于缺乏阈值尖峰和神经递质释放功能，与生物神经元建立完整的神经递质通信回路仍然是一项挑战。

鉴于此，南洋理工大学陈晓东、南京医科大学胡本慧联合南京邮电大学的研究人员报告了一种化学介导的人工神经元，它可以接收和释放神经递质多巴胺。人工神经元实现了神经递质识别、突触可塑性、阈值放电和神经递质释放等基本功能。

图|神经递质介导的人工神经元的概念图

研究人员使用多巴胺 (DA)用作该系统中的神经递质模型。该人工神经元是一个完全集成的顺序操作系统，包含三个主要组件：

1）DA 电化学传感器，使用碳纳米材料，线性检测范围从 1.0 μM 到 1.5 mM，跨越生物突触间隙中的 DA 浓度，灵敏度为 419.9 μA cm ^-2 mM^-1；

2）具有长期可塑性（LTP）和短期可塑性（STP）的忆阻器器件；

3）一种 DA 封装的热响应水凝胶，可在 37.5 至 43.5°C 的温度窗口中释放 DA。

图|人工神经元单个构件的表征

人工神经元中的化学信息流遵循三个步骤：

1）DA 分子以电流信号响应作为输出激活传感器；

2）通过电流信号对忆阻器的内阻状态进行自适应调制；

3）当忆阻器电阻达到目标值时开启加热器，从而触发DA从水凝胶中释放。人工神经元提供了生物中间神经元的基本功能，对数十微摩尔的DA敏感，并能够在相同浓度范围内适应性地释放DA。

图|中间神经元的系统演示

研究人员表明，人工神经元可以响应含儿茶酚胺的大鼠嗜铬细胞瘤 (PC12) 细胞的 DA 胞吐作用并释放 DA 以激活 PC12 细胞，从而实现类似于中间神经元的化学通讯。研究人员还证明了人工神经元可以使DA刺激触发鼠腿或机器人手的可控反馈。该方法向化学脑机接口迈出了一步，为神经假肢、人机交互和交互式物联网系统的发展提供了新途径。

图|用于神经接口的人工神经元

综上所述，本文报道了一种化学介导的人工神经元，能够接收和释放具有突触可塑性的 DA。这些功能是使用包含三个构建块的集成系统实现的：基于CNT/GO纳米复合材料的 DA 电化学传感器、Ag NPs-丝素蛋白/Ag 忆阻器和温度敏感的 PVA/SiO2/DA 水凝胶。这种化学 BMI 可以补充电子脑机接口，可能使神经元信息得到正确和全面的解释，以用于神经假肢、人机交互和机器人构建。

参考文献：

Wang, T., Wang, M., Wang, J. et al. A chemically mediated artificial neuron. Nat Electron (2022).

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00803-0