研究表明，人脑每天需要的能量大概与一只“白炽灯泡”的耗能相当，但其容量相当于9500万块8TB硬盘。这就引出一系列有趣的问题：如此低功耗的大脑为什么能够实现这么高效而复杂的功能呢？为什么大脑需要睡眠？大脑中形成记忆、意识的最小单位、物质基础是什么？在全球脑科学研究的浪潮中，中国科研人员找到了一个突破口。
3月1日，美国科学院院报《PNAS》在线发表了题为《通过中红外刺激实现神经信号与动物行为的非热、可逆调控》（Nonthermal and reversible control of neuronal signaling and behavior by midinfrared stimulation）的论文，首次从理论和实验双重角度发现并提出了神经信号和脑功能调控的新机制和新策略，在学界引起了强烈反响。
这一成果由yl7703永利官网未来光学实验室宋波课题组联合复旦大学舒友生课题组、中国科学技术大学温泉课题组、国防科技创新研究院常超课题组、中科院化学所毛兰群课题组共同完成。北京师范大学博士生刘熹、西安交通大学博士生乔智、中国科学技术大学博士生柴宇明、yl7703永利官网朱智博士为共同第一作者。“这项研究成果颠覆了以往人们对神经系统的认识，提出了一种全新的神经信号调控原理，有望为治疗老年痴呆症、帕金森症等神经系统相关疾病提供新思路，并且可推动类脑人工智能、化学化工、材料器件设计、能源存储转化等领域的发展”，宋波教授谈道。
目前，多种神经调控方法已经用于临床治疗神经系统疾病，包括深部脑刺激、跨颅直流电刺激、跨颅磁刺激等。近红外光刺激作为一种重要的神经调控策略，常用于脑功能的研究，主要是通过光热作用影响神经细胞的电活动。然而，近红外光在调节过程中可能产生过量的热，损伤附近的细胞和组织，导致神经系统结构和功能出现异常等副作用。因此，学界亟待一种更安全可靠的治疗策略。
针对脑科学领域中这一重大问题，宋波教授及其团队成员与合作团队经过近5年的深入研究，最终从量子光学领域找到了解决方法。这项跨量子物理、分子生物学、神经生物学、行为学等多个学科的研究成果被同行认为是从0到1的科学发现，可为脑科学发展提供崭新的理论基础和实验依据。“我们近期研究结果显示：生物体内存在可发射特征频率中远红外光的光源，其发射出的光子可高效驱动细胞内的生化反应、生理活动。于是，我们采用中远红外光（即：高频太赫兹光）来照射神经细胞，实现了高选择性、可逆地共振调控神经元细胞膜上离子通道的活动，进而影响动物的行为。该方法对频率具有高度的依赖性，表明这是一种全新的‘非热’机制”，朱智博士解释道。
据了解，课题组将以此研究成果为基础继续探索脑科学的新机理、新构架，并且联合类脑人工智能、化学、化工、材料、能源等方面的专家，进一步深入开发脑科学启发的新方案、新技术。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2015685118
宋波教授指导朱智博士实验
实验原理图
供稿：光电学院、新闻中心
