新的量子物质可以警告神经系统疾病

印第安纳州WEST LAFAYETTE - 如果大脑能够发现自己的疾病怎么办?研究人员一直试图创造一种像大脑一样“思考”的材料，这种材料对帕金森症等神经系统疾病的早期症状更为敏感。

思考还有很长的路要走，但普渡大学和阿贡国家实验室的研究人员设计了一种至少可以“倾听”的新材料。通用语是离子电流，它帮助大脑进行特定的反应，这对于发送呼吸信号这样的基本需要。检测离子还意味着检测分子的浓度，这可以作为大脑健康的指标。

在Nature Communications发表的一项研究中，研究人员展示了量子材料放置在动物模型脑切片下时自动接收氢的能力。量子意味着该材料具有电子特性，这两种特性都不能用经典物理学解释，并且使其具有与电子学中使用的其他材料(例如硅)相比的独特优势。

在这种情况下，边缘是强大的“相关”电子，使材料更加敏感并且更加可调。“我们的目标是弥合电子产品如何通过电子思考，以及大脑如何思考，这是通过离子之间的差距。这种材料帮助我们找到了一座潜在的桥梁，”张海田说，他是吉尔布雷斯的博士后研究员。普渡大学的工程学院和论文的第一作者。

研究人员表示，从长远来看，这种材料甚至可能带来“下载”大脑的能力。“想象一下，将一个电子设备放入大脑，这样当自然大脑功能开始恶化时，一个人仍然可以从该设备中找回记忆，”普渡大学材料工程教授Shriram Ramanathan说，他的实验室专门开发脑灵感技术。

“我们可以自信地说，这种材料是构建存储和传输记忆的计算设备的潜在途径，”他说。研究人员在两种分子上测试了这种物质：葡萄糖，一种对能量产生必不可少的糖，以及多巴胺，一种调节运动，情绪反应和记忆的化学信使。

因为大脑中多巴胺的含量通常较低，而帕金森病患者的多巴胺含量通常较低，因此检测这种化学物质一直非常困难。但早期检测多巴胺水平意味着更快地治疗疾病。

“这种量子物质对多巴胺的敏感性比我们目前在动物模型中使用的方法高出约9倍，”位于探索公园的普渡大学综合神经科学研究所生物科学助理教授亚历山大·丘比金说。

量子材料的敏感性在于所谓的“相关电子”之间的强相互作用。研究人员首先发现，当他们将材料与葡萄糖分子接触时，氧化物会通过酶自发地从葡萄糖中吸收氢。从小鼠脑切片释放的多巴胺也发生了同样的情况。

正如阿贡国家实验室的研究人员在实验模拟中所表明的那样，对氢的强烈亲和力使材料能够自行提取原子 - 没有电源。Ramanathan说：“事实上，我们没有为材料提供电力来吸收氢气，这意味着它可以带来非常低功率的高灵敏度电子产品。”“这也有助于探索未开发的环境。”

研究人员还说，这种物质可以感知一系列分子的原子，而不仅仅是葡萄糖和多巴胺。下一步是为材料创造一种“与大脑”对话的方式。这项工作得到了多个实体的支持，包括普渡大学工程学院的Gilbreth奖学金，国家科学基金会，空军科学研究办公室，国家心理健康研究所，海军研究办公室和美国部门。能源办公室。

该研究还与普渡大学的巨型飞跃庆祝活动保持一致，承认该大学在人工智能和健康方面的全球进步是普渡大学成立150周年的一部分。这是为期一年的庆祝活动创意节的四个主题之一，旨在展示普渡大学作为解决现实问题的知识中心。

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