大腦與互聯(lián)網(wǎng)建立連接、實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互，已經(jīng)不再只是一種幻想了。
實際上，大腦的功能依賴于神經(jīng)元回路，神經(jīng)元之間相接觸的部位就是突觸，在結(jié)合信息傳遞與記憶存儲、處理方面起著關(guān)鍵作用。而電子學在模擬神經(jīng)元和突觸以及腦機接口方面取得了重要進展。
近日，英國、意大利和瑞士的研究人員共同創(chuàng)建了一個混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用互聯(lián)網(wǎng)將信號從生物神經(jīng)元傳輸?shù)饺斯ど窠?jīng)元。當?shù)貢r間2020年2月25日，科學雜志《自然·科學報告》刊登了該研究團隊名為Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons（記憶突觸連接大腦和硅尖峰神經(jīng)元）的論文。
通過互聯(lián)網(wǎng)連接生物神經(jīng)元和人工神經(jīng)元
雷鋒網(wǎng)了解到，該論文主要介紹了模擬真實突觸的傳遞和可塑性的大腦和硅尖峰神經(jīng)元之間的記憶聯(lián)系。
值得一提的是，這項研究由三國研究者共同完成：
英國南安普敦大學開發(fā)了納米級憶阻器，模仿突觸；
意大利帕多瓦大學培養(yǎng)了生物（老鼠）神經(jīng)元；
瑞士蘇黎世大學與蘇黎世聯(lián)邦理工學院合作，在硅微芯片上創(chuàng)建了人工神經(jīng)元，通過使用憶阻器創(chuàng)建的混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得人工神經(jīng)元和生物神經(jīng)元能夠雙向?qū)崟r通信。
具體來講就是，研究人員利用與金屬薄膜氧化鈦微電極配對的憶阻器，將硅神經(jīng)元連接到老鼠海馬體的神經(jīng)元上（如下圖所示），從而證明了一個三神經(jīng)元腦-硅網(wǎng)絡(luò)，其中憶阻突觸經(jīng)歷了由神經(jīng)元放電速率驅(qū)動的長期增強或抑制。
根據(jù)上述描述，我們不難看出這項研究中的一個關(guān)鍵元素便是納米級憶阻器。
通常情況下，尖峰處理由基于數(shù)字馮·諾依曼（Von Neumann）的硬件運行統(tǒng)計算法來管理。但是，依賴于近生物的尖峰信號及處理策略，神經(jīng)形態(tài)電子器件和結(jié)構(gòu)可以說是相對更好的計算選擇。
以此為基礎(chǔ)，研究人員發(fā)現(xiàn)了納米級憶阻器模仿突觸的可塑性，而用來模擬腦突觸的尖鋒電位傳遞和可塑性過程的，正是鈦連接。
如下圖所示，這個系統(tǒng)其實是一條單向電路——鈦憶阻器MR1存儲突觸權(quán)重作為阻性狀態(tài)，超薄電容微電極CME將刺激傳遞給生物神經(jīng)元，并通過記憶權(quán)重進行調(diào)節(jié)。BN尖峰由膜片鉗微電極記錄，然后由憶阻器MR2處理，并且經(jīng)由電流注入，最終傳輸?shù)降诙枭窠?jīng)元ANpost。
而另外一個重要元素則是人工神經(jīng)元。據(jù)悉，人工神經(jīng)元被排列在硅微芯片上。類似于生物神經(jīng)元，人工神經(jīng)元能夠發(fā)送、接收可讀取和測量的信號。
雷鋒網(wǎng)了解到，這是全球首次以這樣的方式實現(xiàn)了人工神經(jīng)元和生物神經(jīng)元的跨國連接。研究人員同時也指出，希望這項研究成為神經(jīng)電子互聯(lián)網(wǎng)的開端。
對于這一突破，南安普頓大學納米技術(shù)教授兼電子前沿中心主任Themis Prodromakis表示：“我們對新進展感到非常興奮。一方面，它為自然進化過程中從未遇到過的新場景奠定了基礎(chǔ)，在該場景中生物和人工神經(jīng)元相互連接并在全球網(wǎng)絡(luò)中進行交流；另一方面，它為神經(jīng)修復技術(shù)帶來了新的前景，為研究用AI芯片代替大腦功能異常的部分鋪路?！?/p>
馬斯克：構(gòu)建第三層大腦
實際上，上述“神經(jīng)電子互聯(lián)網(wǎng)”也是特斯拉公司CEO、SpaceX公司CEO兼CTO、太陽城公司董事會主席埃隆·馬斯克（Elon Musk）的一個腦洞。
眾所周知，人類大腦分為兩層：
邊緣系統(tǒng)：用于控制情緒、長期的記憶和行為等；
大腦皮質(zhì)：處理復雜思想、推理和長期規(guī)劃。
對此，馬斯克認為，實際上我們的大腦還有第三層——人類已經(jīng)離不開的計算機、手機等數(shù)字化設(shè)備。因此他提出了“腦機接口”的概念，讓人腦與電腦相連，完善人類大腦的第三層，對另外兩層進行補充。
作為一個實干家，2017年馬斯克便建立了腦機接口公司Neuralink。
Neuralink成立之初，旨在幫助患有嚴重腦損傷的人（如中風、癌癥、先天性疾病患者等）。在大腦中植入設(shè)備后，患者即可自行控制手機或計算機。
2019年7月16日Neuralink的發(fā)布會上，馬斯克透露已經(jīng)有一只參與試驗的猴子能夠用大腦來控制電腦了，同時還介紹了已推出的主要技術(shù)：
寬度僅為4-6μm、能夠傳輸大量數(shù)據(jù)的Thread；
神經(jīng)外科機器人，每分鐘能向大腦插入包含192個電極的6個Thread；
定制芯片，能更好地讀取、清理、放大來自大腦的信號；
N1傳感器，可嵌入人體并以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，讀取比當前基于有線系統(tǒng)更少的神經(jīng)元——人腦中將植入四個傳感器（三個位于運動區(qū)域，另一個位于體感傳感器區(qū)域），它們無線連接到安裝在人耳后的外部設(shè)備，受iPhone應(yīng)用程序控制。
實際上，Neuralink已經(jīng)開始在小白鼠上進行試驗，如果平臺穩(wěn)定的話，將通過機器人手術(shù)對Thread進行植入。當然，這一過程需要美國食品藥品監(jiān)督管理局的審核。
不過，研究腦機接口的并非只有Neuralink公司，F(xiàn)acebook的Building 8部門、麻省理工學院等大學、研究機構(gòu)目前都在做著這方面的努力。
在雷鋒網(wǎng)編輯看來，考慮到包括無線傳輸在內(nèi)的工程阻礙、人類對大腦的認識程度、公眾對這類技術(shù)安全性的擔憂等等，實現(xiàn)腦機連接絕非易事。
正如馬斯克本人所說：“科技不會自己進步，科技進步需要付出，需要遠大的目標和大量的辛勤工作，需要有偉大的夢想來激發(fā)人們?nèi)?chuàng)造?！?/p>
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