PNAS：水凝胶“学会”遗忘

来源：X一MOL资讯

“学会遗忘”这四个字，估计各位在一众鸡汤文或者歌词、台词里面没少看到。但实际上，人类的大脑自带遗忘功能，根本不用刻意去学。基于软物质的大脑，记忆过程是动态的，会自发地忘记不重要的信息。相比之下，现有基于硬质物质的人造记忆材料却是静态的，没有外界刺激的情况下不会“遗忘”。这当然有其应用意义，比如手机存储，数据要是随随便便就给“忘记了”，岂不糟糕？但“忘不掉”也会带来麻烦，存储容量慢慢就用完了，还得删照片、卸应用甚至重装系统。有没有一种材料可以模拟大脑的动态记忆行为呢？
水凝胶是比较火的一类材料，具有极强亲水能力的三维网络结构，它在水中能够迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。该材料含水量高、生物相容性好，易于修饰，并且在一些因素（如pH和温度）刺激下可以实可逆现膨胀与收缩。人们通常将水凝胶用作吸附剂、药物载体等，其在药物治疗、生物检测等领域具有重要的应用。最近，日本北海道大学的龚剑萍教授等人提出利用热处理具有温度敏感动态键的水凝胶来实现对信息的编码、提取和遗忘。该功能基于水凝胶热刺激下快速吸水和缓慢释放水分的过程，在此过程中水凝胶会在透明与混浊之间进行可逆的变化，由此可以模拟大脑对信息的记忆与遗忘行为。相关工作发表在PNAS 期刊上。
水凝胶是一种含水量较高的软材料，能在外界因素（如pH和温度）刺激下进行膨胀和收缩，这为构建具有动态记忆的体系提供了基础。基于以上特点，作者提出利用具有温度响应性的水凝胶模拟人脑动态记忆的过程。将一层水凝胶置于两个塑料板之间，顶部的塑料板有一部分被剪掉以实现图案化（某种图案或者文字），暴露相应部分水凝胶，然后把水凝胶放在冷水中以建立吸水动态平衡，随后把该水凝胶置于热水中，此时暴露在外的凝胶吸水膨胀，形成一定的图案，这就像把信息印在了水凝胶上，相当于获得信息的“学习”和“记忆”过程。而当将该水凝胶放回到冷水中时，骤冷使水凝胶结构被破坏，暴露在外的部分会变得不透明，这样就使存储的信息可见，相当于“记忆提取”过程。随着该水凝胶在冷水中吸水达到平衡又会变成透明状态，类似于大脑学习知识之后又“遗忘”的过程。

图2. 人脑与水凝胶实现记忆与遗忘的示意图。图片来源：PNAS
为了证明该思路的可行性，作者利用聚电解质水凝胶（由丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与对苯乙烯磺酸钠制备而得，图3A）对其进行了研究。该水凝胶含水量为～45%，具有良好的韧性与自愈能力（图3B）。更重要的是该材料在低温下突然收缩时透明度会降低，这有利于研究信息的记忆与遗忘。对于半径为25 mm和厚度为1.15 mm的凝胶，将其从25 ℃水浴中转移到80 ℃水浴中时会逐渐膨胀直至达到平衡（需要0.6 h），而放回到25 ℃水浴中时凝胶又会收缩到初始的状态（需要28 h）（图3B），这是因为凝胶膨胀（Dsw）和收缩（Dsh）时水的扩散系数相差很大（图3D）。该凝胶在25 ℃时水浴中达到吸附水平衡时是透明的，在挪到80 ℃高温水浴中时也是透明的，而再放回到25 ℃时在4 s内变为不透明（图3C）。这应该是因为收缩过程较慢，在骤冷时造成结构的破坏，导致凝胶变得不透明。

图3. 基于聚电解质凝胶模拟人脑的记忆过程。图片来源：PNAS
基于以上水凝胶的非对称水吸收与释放动力学，作者设计了动态记忆装置（图4）。通过改变水浴温度，可以得到不同形状的水凝胶图案，随着水凝胶吸水达到新的平衡又会变得透明。通过改变水浴的温度和浸泡时间，也会改变凝胶变浑浊的程度以及再变透明的时间，这也类似于大脑的记忆过程——记的越深刻则忘记得越慢（图5）。

图4. 基于聚电解质水凝胶制备动态记忆装置。图片来源：PNAS

图5. 不同浸泡时间和水浴温度对水凝胶透明程度的影响。图片来源：PNAS
随后作者对凝胶上一个单词中的不同字母进行不同的处理，可以控制不同字母的消失时间，实现程序化控制水凝胶的变化（图6）。不同过程的变化时间也可以用凝胶的厚度进行调节，这为多角度控制记忆过程提供了条件。另外，也可以利用小分子（如罗丹明B）溶液进行该实验。

图6. 程序化控制水凝胶的变化。图片来源：PNAS