生物体内，器官和神经中枢的通信是靠中间神经元并以神经递质化学信号来实现信息传输的。要实现人机融合或是感觉系统的修复，需要构建一个与生物神经元性能相仿的人工中间神经元来连接信号通路。这种人工神经元对神经递质浓度的响应范围应该和生物神经元相仿，并可以根据兴奋性和抑制性神经递质的浓度来调节输出尖峰信号的频率。然而，现有的人工神经元在神经递质的刺激下，尖峰信号频率的变化范围和幅度与生物神经元并不匹配，限制了在神经假体、神经康复和其他生物融合电子设备中的应用。

近日，复旦大学魏大程团队开发了一种基于石墨烯电化学晶体管构建的双极性化学突触人工神经元，能够动态响应兴奋性和抑制性神经递质（多巴胺和5-羟色胺），将化学信号的浓度序列转化为尖峰信号的时间序列，响应浓度和幅度均与生物神经元水平相近。运用这种人工神经元，团队实现了恢复小鼠腿部的运动功能。

图1.   生物感知和运动系统示意图。

该人工神经元由三个关键组件组成：双极性化学突触、转换电路和导电输出端口。其中，n型和p型石墨烯电化学晶体管分别用于模拟兴奋性和抑制型生物化学突触。当兴奋性晶体管化学突触识别到多巴胺（DA）时，增加输出电流。当抑制型晶体管化学突触识别到5-羟色胺（5-HT）时，减少输出电流。这些输出电流用来为一个转换电路充电，一旦充电到一某电位时，电路就会产生一个电脉冲，而连续充电会导致输出一系列脉冲尖峰。这些脉冲尖峰通过一个导电水凝胶的输出端口连接到下一个神经元。该人工神经元的启动阈值浓度为6.25 μM，频率响应幅度为0.55 Hz μM⁻¹，是此前报道的人工神经元中最接近生物神经元性能水平的。因此，该人工神经元可以很好的作为中间神经元连接和修复生物感知系统和运动系统。团队将这个人工神经元连接在小鼠的腿部肌肉上，成功实现了通过压力信号诱导的神经递质释放来调节小鼠腿部摆动频率，展示了该人工神经元在构建人机混合神经通路中的巨大潜力。

图2. “压力感知-神经元信号传递-小鼠腿部运动”混合神经通路示意图。

这项研究为未来人机系统无缝集成、神经系统修复和其他生物集成电子学应用提供了一个性能优异的人工神经元组件。近期，相关成果发表在期刊Journal of the American Chemical Society上，复旦大学魏大程研究员和孔德荣助理研究员为论文共同通讯作者，罗实博士和博士生张申为论文共同第一作者，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程全国重点实验室分别为论文第一、第二单位，研究得到国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、上海市优秀学术带头人等项目的支持。

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00198

Shi Luo#, Shen Zhang#, Daizong Ji, Shuai Jiang, XuejunWang, Bo Chen, Yiheng Chen, Xinjie Pei, Changhao Dai, Dingding Jiang, WentaoLiu, Yuetong Yang, Enming Song, Dapeng Wei, Derong Kong*, Yunqi Liu, DachengWei*, A Signal-Harmonizing Hybrid Neural Pathway Enabled by Bipolar-Chemo-Synapse Spiking Interneuron, J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c00198