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王禹 博士

中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國家重點實驗室

《載藥海藻酸鈣/殼聚糖水凝膠修飾的微電極陣列實現(xiàn)增強的神經(jīng)信息探測》

由中國科學(xué)院空天信息研究院蔡新霞研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在《Biosensors and Bioelectronics》發(fā)表了一項突破性研究。他們開發(fā)了一種新型藥物負載的海藻酸鈣/殼聚糖（CA/CS）水凝膠涂層微電極陣列（MEA），實現(xiàn)了對神經(jīng)活動的長效、高質(zhì)量檢測。這一創(chuàng)新為深入理解神經(jīng)系統(tǒng)功能、治療腦部疾病和發(fā)展先進的腦機接口提供了全新途徑。

傳統(tǒng)的硅基電極由于其高楊氏模量，與大腦柔軟組織存在嚴重的機械失配，導(dǎo)致植入后產(chǎn)生炎癥反應(yīng)、膠質(zhì)細胞聚集和膠質(zhì)瘢痕的形成。這些生物反應(yīng)會阻礙電極的性能，使得神經(jīng)探針無法長期穩(wěn)定地獲取神經(jīng)信息。為解決這一問題，研究團隊在MEA表面修飾了負載抗炎藥物地塞米松磷酸鈉的CA/CS互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠涂層。

圖1 載藥CA/CS水凝膠修飾方法（A）海藻酸鹽的G block部分與Ca²⁺交聯(lián)形成蛋盒結(jié)構(gòu)。（B）通過原位鈣離子釋放在電極表面形成均勻的凝膠涂層。

該水凝膠涂層具有多重優(yōu)勢。首先，該水凝膠涂層的力學(xué)特性與腦組織相匹配，減少機械失配導(dǎo)致的損傷。其次，水凝膠的親水性和生物相容性良好，能夠降低蛋白吸附和炎癥反應(yīng)。此外，水凝膠中負載的抗炎藥物可持續(xù)抑制組織炎癥反應(yīng)，實現(xiàn)免疫逃逸，延長電極的使用壽命。

在電極位點表面，研究團隊通過修飾鉑納米顆粒（PtNPs）和導(dǎo)電高分子PEDOT:PSS顯著提升了電極的電學(xué)性能。通過進一步修飾Nafion膜，實現(xiàn)對神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的高靈敏和特異性檢測。

生物相容性的評估是該研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將電極植入小鼠大腦并在四周后進行免疫組化分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，水凝膠電極周圍的小膠質(zhì)和星形膠質(zhì)細胞的活化程度顯著低于未修飾電極。這表明載藥水凝膠涂層有效減少了植入后的炎癥反應(yīng)，降低了膠質(zhì)瘢痕的形成。

圖2 （A-B）未修飾和修飾載藥水凝膠材料的硅探針植入大腦后的免疫熒光染色照片。小膠質(zhì)細胞（TMEM，紅色），星形膠質(zhì)細胞（GFAP，綠色），成熟神經(jīng)元（NeuN，黃色）和包含細胞核（DAPI，藍色）的10 μm厚腦組織切片的共聚焦熒光圖像。標尺代表100 μm。（C-E）探針植入中心附近各類神經(jīng)細胞的平均熒光強度。

在體實驗中，研究團隊將修飾有載藥CA/CS水凝膠的MEA植入小鼠的海馬區(qū)域，成功實現(xiàn)了長時間、高質(zhì)量的神經(jīng)信號采集。植入后電極的性能在長時間尺度下保持穩(wěn)定，神經(jīng)元放電的幅值有所增加。這可能是由于神經(jīng)元逐漸貼附到電極表面，增強了信號的傳導(dǎo)。

圖3 載藥水凝膠神經(jīng)探針獲得增強的在體神經(jīng)信息。（A）不同時間尺度下代表性通道獲取的神經(jīng)元放電波形，誤差線表示SD。（B）隨時間推移，探針獲取更高質(zhì)量的神經(jīng)元放電信息，幅值逐漸增加。（C-D）不同神經(jīng)界面在時間推移下的活性通道比例和信噪比，誤差線表示SD。

更為重要的是，研究團隊利用該電極實現(xiàn)了對電生理和電化學(xué)信號的同步雙模檢測。在植入大鼠紋狀體的實驗中，電極成功地連續(xù)七天檢測到多巴胺的濃度變化，濃度在1.5 μm左右波動。這一結(jié)果證明了電極在動態(tài)生理環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，為在臨床和研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 載藥CA/CS水凝膠電極獲得穩(wěn)定的在體雙模神經(jīng)信息檢測。電極植入紋狀體腦區(qū)，從上至下分別展示了植入后第3天和第7天的spike、LFP及多巴胺的雙模神經(jīng)活動信息。

總的來說，該研究強調(diào)了電極表面修飾在長期神經(jīng)監(jiān)測中的重要性，展示了生物活性水凝膠作為藥物遞送和神經(jīng)生物界面的巨大潛力。這一創(chuàng)新性工作不僅推進了微電極技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，也為未來神經(jīng)疾病的診斷和治療提供了新的工具和策略。通過提升電極的生物相容性和電學(xué)性能，他們的研究有望增強腦機接口器件在醫(yī)療實踐中的功能性和接受度。

團隊介紹

包涵 副教授

常州大學(xué)·王諍微電子學(xué)院

《基于離散超混沌的雙因子硬件加密系統(tǒng)》

數(shù)字通信技術(shù)的迅猛發(fā)展在帶來便利的同時，也衍生出一系列新的安全挑戰(zhàn)?；煦缦到y(tǒng)憑借其固有的高度非線性、遍歷性及不可預(yù)測性等特征，在信息安全領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢并獲得廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)離散混沌映射存在動態(tài)幅值不可控、參數(shù)范圍受限、發(fā)散區(qū)域過多、維度偏高等局限性，制約了其在信息安全工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用。鑒于此，設(shè)計兼具超混沌高復(fù)雜度特性、可控動態(tài)幅度和超寬參數(shù)區(qū)間的低維超混沌映射具有重要意義。

本研究工作提出了一種四閾值函數(shù)驅(qū)動的低維度離散映射框架，用以構(gòu)造二維有界超混沌映射，通過自主研發(fā)的自適應(yīng)數(shù)值搜尋算法和不動點穩(wěn)定性分析算法，闡明了此類離散超映射的幅值可控性及超寬參數(shù)區(qū)間?；谒鶚?gòu)造的通用映射框架，本研究進一步提出三閾值函數(shù)驅(qū)動的改進型二維閾值映射，以及具備無界同質(zhì)共存特性的類霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二維對稱閾值映射，并深入探究其不動點穩(wěn)定性和動力學(xué)特性。最終，基于多因素認證的設(shè)計理念和實現(xiàn)方法，首次實現(xiàn)了時間驅(qū)動的混沌動態(tài)密碼生成系統(tǒng)和空間敏感的混沌硬件加密系統(tǒng)，為隱私保護和數(shù)據(jù)安全提供了重要參考。主要創(chuàng)新點如下：

（1）本研究所提出的四閾值函數(shù)驅(qū)動的離散映射框架，可以構(gòu)建具備超混沌高復(fù)雜度特性、可控動態(tài)幅度和超寬參數(shù)區(qū)間的低維超混沌映射，彌補了傳統(tǒng)離散混沌映射的動態(tài)幅值不可控、參數(shù)范圍有限、發(fā)散區(qū)域較多、維度較高等缺陷，拓寬了混沌系統(tǒng)在信息安全領(lǐng)域中的應(yīng)用。

（2）通過對映射框架的設(shè)計簡化，提出了由三閾值函數(shù)驅(qū)動的改進型二維閾值映射，利用其超寬參數(shù)特性，創(chuàng)新性地將時間因子引入混沌系統(tǒng)，構(gòu)建了跨平臺兼容的混沌動態(tài)密碼生成器。彌補了傳統(tǒng)基于時間的一次密碼生成器存在的不足，有效避免了哈希沖突風(fēng)險，擺脫了密鑰生成方面存在的長度限制，提高了多因素認證在信息安全領(lǐng)域中的可靠性與安全性。

(3) 通過對映射框架的范式融合，提出了由四正弦函數(shù)驅(qū)動的類霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二維對稱閾值映射，利用此二維對稱閾值映射其特殊的無界同質(zhì)共存特性，創(chuàng)造性地將其無界調(diào)控機制與地理網(wǎng)格索引標識相結(jié)合，實現(xiàn)了硬件密鑰憑證與地理信息融合的雙因子混沌硬件加密系統(tǒng)，增強了數(shù)據(jù)的地理位置敏感性，有效保護數(shù)據(jù)免受安全區(qū)域外的訪問。

包涵

 副教授

博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，江蘇省優(yōu)秀博士論文獲得者，江蘇省科技副總，江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊骨干成員，主要從事憶阻電路與系統(tǒng)、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌保密通信相關(guān)的研究工作。入選科睿唯安2023全球“高被引科學(xué)家”榜單，獲2023年度江蘇省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究成果獎（自然科學(xué)獎）一等獎（排名第一）。主持國家自然科學(xué)基金青年基金項目、中國博士后科學(xué)基金項目、江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目、江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項目各1項。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI檢索論文30余篇，其中IEEE匯刊12篇，中科院一區(qū)TOP期刊11篇，入選ESI數(shù)據(jù)庫熱點論文6篇、高被引論文16篇，授權(quán)中國發(fā)明專利8項。指導(dǎo)本科生獲電子設(shè)計大賽江蘇省一等獎，指導(dǎo)研究生獲數(shù)學(xué)建模比賽國家二等獎。

“憶阻電路與智能網(wǎng)絡(luò)”團隊

“憶阻電路與智能網(wǎng)絡(luò)”團隊是江蘇省高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊，由博士生導(dǎo)師包伯成教授領(lǐng)銜。主要研究方向為神經(jīng)元功能性電路、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與同步、憶阻電路與系統(tǒng)和電能變換與控制技術(shù)。在研國家自然科學(xué)基金面上項目4項、青年基金項目3項，省級自然科學(xué)基金等科研項目5項；出版學(xué)術(shù)專著3部；發(fā)表ESI論文300余篇，其中，入選熱點論文10余篇、高被引論文40余篇；授權(quán)發(fā)明專利20余件。

近年來，團隊入選科睿唯安“Highly Cited Researcher”榜單3人，入選愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”名單1人，入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”1人，入選江蘇高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀青年骨干教師2人。團隊研究成果獲評教育部自然科學(xué)獎二等獎1項，機械聯(lián)合會二等獎1項，省科學(xué)技術(shù)獎三等獎2項，省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究成果獎一等獎2項、三等獎1項，省教學(xué)成果獎二等獎2項。

團隊以高水平科研引領(lǐng)研究生教育，努力構(gòu)建并完善研究生能力提升培養(yǎng)制度，為高等院校和企事業(yè)單位輸送了一批優(yōu)秀的科研和管理人才。截止目前，培養(yǎng)高素質(zhì)博士、碩士研究生50余名，獲評江蘇省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文2篇、中國電子學(xué)會優(yōu)秀碩士學(xué)位論文2篇；入選“江蘇省大學(xué)生年度人物”1人次，獲中國研究生數(shù)學(xué)建模一等獎10人次，獲得國家獎學(xué)金1～2人次/年。

李郝亮 博士

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院

《多面體角反射器極化旋轉(zhuǎn)域識別：從理論研究到實驗驗證》

極化雷達能夠獲取目標多極化信息，在反演目標物理屬性、提高識別能力等方面具有突出優(yōu)勢。近年來，極化雷達發(fā)展迅猛，成為遙感測繪、偵察監(jiān)視、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域的核心裝備。在軍事博弈對抗條件下，極化雷達面臨的電磁環(huán)境極其復(fù)雜，包含自然雜波和多種樣式有意干擾。其中，多面體角反射器是制約極化雷達目標探測的重要難題。針對該問題，本報告重點介紹了多面體角反射器極化旋轉(zhuǎn)域識別理論方法及實驗驗證的最新研究進展。

 (a) AN/SLQ-49角反射器     (b) MK-59角反射器

首先，通過充分挖掘和利用目標多維極化旋轉(zhuǎn)域信息，構(gòu)建了一種廣義極化相關(guān)方向圖解譯工具用于多面體角反射器的極化散射特性研究。通過電磁計算仿真和暗室實驗，揭示了典型多面體角反射器與典型人造目標的極化旋轉(zhuǎn)域特性變化規(guī)律，并提取得到顯著性差異特征集。

(a) 八面體角反射器       (b) 二十面體角反射器

(a) 艦船               (b) 角反射器陣列

其次，針對對地和對海場景下多面體角反射器陣列干擾識別難題，分別介紹了聯(lián)合極化空時特性、散射機理內(nèi)嵌等兩種多面體角反射器陣列干擾極化旋轉(zhuǎn)域識別方法。最后，利用多頻段全極化雷達實驗系統(tǒng)開展了對地和對海外場試驗，實現(xiàn)了對典型場景下多面體角反射器陣列干擾準確識別。

(a) 對地實驗場景         (b) 對海實驗場景

圖4 多面體角反射器陣列干擾外場實驗

(a) 車輛目標

(b) 角反射器陣列

(a) 船只目標

(b) 角反射器陣列

團隊介紹

近年來，國防科技大學(xué)陳思偉教授研究團隊對極化雷達多面體角反射器陣列干擾智能識別技術(shù)開展了深入研究。

在機理層面，系統(tǒng)提出了角反射器陣列干擾極化旋轉(zhuǎn)域識別理論方法，揭示了典型多面體角反射器極化旋轉(zhuǎn)域電磁散射演化規(guī)律，提取得到識別特征集，能夠顯著增強角反干擾和典型人造目標的散射差異，出版專著2部。

在數(shù)據(jù)層面，構(gòu)建了多波段、全方位的多面體角反射器電磁計算數(shù)據(jù)集；設(shè)計并制作了一系列多面體角反射器實物模型，完成了暗室測量驗證；同時，聯(lián)合西安電子工程研究所等國內(nèi)優(yōu)勢單位開展了對地和對海等場景下外場靜態(tài)和掛飛實驗驗證，構(gòu)建了多波段多場景極化雷達多面體角反射器陣列實測數(shù)據(jù)集。

在應(yīng)用層面，提出了系列多面體角反射器陣列干擾極化旋轉(zhuǎn)域智能識別方法，自主研發(fā)智能識別軟件1套，授權(quán)專利4項。

陳軻 博士

北京理工大學(xué)雷達技術(shù)研究院

《星載SAR 場景匹配曲線成像照射幾何設(shè)計與在軌驗證》

常規(guī)星載合成孔徑雷達（SAR）成像中成像帶始終沿平行于軌道方向生成，呈直線。在高分辨情況下，常規(guī)星載SAR難以通過單個成像帶對如路橋、海岸線、地震帶等具有復(fù)雜走向的長曲線場景實現(xiàn)完整覆蓋，觀測效能低。為此，團隊提出星載SAR場景匹配曲線成像，其成像帶沿場景走向定制化生成、呈不規(guī)則曲線，大幅度提高長曲線場景的觀測效能。

星載SAR場景匹配曲線成像在數(shù)據(jù)獲取部分存在方位分辨波動大、回波質(zhì)量差兩個問題。為解決上述問題，匯報人分別從照射幾何、重頻時序兩方面開展研究：

(1) 照射幾何方面，針對成像帶走向復(fù)雜導(dǎo)致方位分辨率波動大的問題，提出均勻分辨的非線性波束控制方法。首先，建立預(yù)測-生長式的波束控制模型，基于當(dāng)前和前序波束指向預(yù)測照射時間，再“生長”下時刻波束指向，調(diào)整照射時間到期望值，以此保證均勻方位分辨率；然后，提出步進式的變速波控求解方法，通過分析地面波足位置、速度、加速度對姿態(tài)機動物理約束的解析影響，在物理約束下，精細調(diào)控波足速度矢量，迭代的生成均勻方位分辨、匹配場景走向波足軌跡。該方法經(jīng)在軌驗證可將方位分辨率波動由80%降低到3%以內(nèi)。

(2) 重頻時序方面，針對斜距、觀測視角劇烈變化導(dǎo)致的回波數(shù)據(jù)損失高、模糊能量強的問題，提出基于“時空頻”三維斑馬圖的非均勻方位采樣設(shè)計方法。首先，在常規(guī)二維斑馬圖上增加時間自由度，描述成像幾何對模糊的時變約束，避免不同觀測視角“混疊”到斑馬圖中相同位置；其次，提出基于模糊的重頻設(shè)計新約束，將成像帶模糊能量分布上界映射到“時空頻”空間，并劃分重頻可行域；最后，將三維支撐域進行降維投影，并在新可行域內(nèi)采用圖形學(xué)方法生成重頻時序。該方法經(jīng)在軌驗證可將大幅降低回波數(shù)據(jù)損失并將全場景模糊能量降低10 dB以上。

目前，所提方法已在四型四顆衛(wèi)星完成在軌驗證，實現(xiàn)各項觀測任務(wù)50余次，支撐國家自然基金優(yōu)青、重點、面上等相關(guān)項目，是后續(xù)場景匹配曲線成像星上實時處理、干涉處理等應(yīng)用方向的理論基礎(chǔ)。

團隊介紹

北京理工大學(xué)雷達技術(shù)研究院（下文簡稱雷達院）由毛二可院士于1964年創(chuàng)立，研究方向涉及民用雷達、特種雷達、多源探測、航天遙感等。經(jīng)過六十年的奮斗和發(fā)展，雷達院在航空、航天、導(dǎo)航、制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域取得了系列科研成果，完成了多項全國第一的科研任務(wù)。

近年來，雷達院特種雷達研究所王巖研究員帶領(lǐng)的研究小組提出了星載SAR場景匹配成像新模式，并針對該模式的數(shù)據(jù)獲取、成像算法、干涉技術(shù)與星上實時處理開展了深入研究。