科幻正在成真！人造神經(jīng)元成功控制捕蠅草，或助推腦機(jī)接口變革
作者：庫珀
20 世紀(jì) 80 年代，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家卡弗·米德在一篇論文中提出了“神經(jīng)形態(tài)工程”一詞。
他花了 40 多年的時(shí)間，想要開發(fā)出一個(gè)可以模擬人體感官和處理機(jī)制（比如觸覺、視覺、聽覺和大腦思維等）的分析系統(tǒng)。
如今，雖然許多人還不太熟知什么是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)，但對基于這些系統(tǒng)理論的更廣義的技術(shù)——人工智能——卻并不陌生。
近年來，許多智能芯片的架構(gòu)，都在受到神經(jīng)形態(tài)計(jì)算研究的影響，進(jìn)而產(chǎn)生不少旨在實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元級計(jì)算能力的硅架構(gòu)，通過神經(jīng)形態(tài)優(yōu)化計(jì)算策略。放眼未來，腦機(jī)接口技術(shù)是一種典型的神經(jīng)形態(tài)工程應(yīng)用，科學(xué)家需要將人工神經(jīng)形態(tài)設(shè)備與生物系統(tǒng)集成在一起，從而修復(fù)和增強(qiáng)人體功能。
但是，由于人工神經(jīng)形態(tài)設(shè)備通常生物相容性差、電路復(fù)雜、能源效率低，以及與生物的離子信號調(diào)制有根本不同的工作原理，基于硅的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備在生物集成潛力方面受到極大限制。
今天，發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上的最新論文報(bào)道了一種人造神經(jīng)元（OECN），它能成功地與捕蠅草的生物細(xì)胞連接起來，可以讓這種植物關(guān)閉葉瓣。圖｜實(shí)驗(yàn)過程中采集的神經(jīng)信號（來源：Nature Communications）據(jù)論文描述，OECNs 還可以與所有印刷的有機(jī)電化學(xué)突觸（OECSs）整合，并對多種刺激作出反應(yīng)，為局部人工神經(jīng)元系統(tǒng)定義了一個(gè)新的前景，有望與植物、昆蟲乃至脊椎動物的生物信號系統(tǒng)集成。這一發(fā)現(xiàn)可能對腦機(jī)接口和軟機(jī)器人技術(shù)的未來發(fā)展具有啟示意義。眾所周知，生物的基本構(gòu)成要素與電子設(shè)備有本質(zhì)不同。因此，將人工設(shè)備與生物系統(tǒng)聯(lián)系起來的能力是一個(gè)棘手的新興科研領(lǐng)域。
盡管基于軟件的神經(jīng)形態(tài)算法已被集成到生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中，但基于硬件的系統(tǒng)最終還是需要的，這些系統(tǒng)與活體組織緊密連接，并能夠利用對事件的感知，以及生物系統(tǒng)的處理能力進(jìn)化其功能。
而借用生物信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)有望彌合這一鴻溝。
近年來，有機(jī)半導(dǎo)體曾被業(yè)界十分看好，在人工突觸、神經(jīng)電子學(xué)和神經(jīng)接口方面的應(yīng)用日益增多，從結(jié)構(gòu)角度來看，有機(jī)半導(dǎo)體具有溶液可加工、生物相容性、生物可降解性、柔軟性等特點(diǎn)，能夠提供特定的激發(fā)、傳感和驅(qū)動能力，并支持電子和離子信號的傳輸。
相關(guān)報(bào)道提到的有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFETs）的人工神經(jīng)元就展示出了很大用途，但運(yùn)行起來需要高電壓（5V）輸入才能運(yùn)行，這在與生物集成時(shí)是一個(gè)明顯的關(guān)鍵問題。
而另外一個(gè)極具潛力的技術(shù)方向，是有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECTs），它由有機(jī)體溝道材料的柵極驅(qū)動離子摻雜/反摻雜調(diào)制，類似于生物系統(tǒng)的離子驅(qū)動過程和動力學(xué)。
與 OFET 相比，OECT 可在相當(dāng)?shù)偷碾妷海?lt;1V）下工作，具有更高的跨導(dǎo)和良好的閾值電壓穩(wěn)定性，且通常具有高度的生物相容性，這些特性使 OECT 成為開發(fā)可印刷的、生物相容的人工尖峰神經(jīng)電路的理想候選者，該電路具有離子介導(dǎo)的尖峰機(jī)制，與生物系統(tǒng)的信號特征非常相似。圖｜有機(jī)電化學(xué)神經(jīng)元及與生物神經(jīng)元的類比（來源：Nature Communications）在本項(xiàng)最新成果中，OECNs 表現(xiàn)出幾種神經(jīng)元特征，包括離子濃度依賴性尖峰和與印刷有機(jī)電化學(xué)突觸（OECSs）整合的尖峰時(shí)間依賴性可塑性（STDP），它對大范圍的輸入電流（0.1–10 μA）做出響應(yīng)，頻率調(diào)制超過 450%。
實(shí)驗(yàn)中，科研人員首次利用晶體管的離子濃度依賴性開關(guān)特性，能在很大程度上與生物系統(tǒng)類似地調(diào)節(jié)尖峰頻率，這在基于 OFET 或基于硅的神經(jīng)元中是不可能的。
這種電導(dǎo)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了具有成對脈沖促進(jìn)作用的短期可塑性和保持 1000 秒以上的長期可塑性。他們預(yù)計(jì)，OECNs 的柔軟性、在柔性基底上打印的能力、離子調(diào)制尖峰和多刺激響應(yīng)將為與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡易集成應(yīng)用開辟新路徑。
關(guān)鍵環(huán)節(jié)和發(fā)現(xiàn)整體而言，這項(xiàng)研究成果有四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
研究人員選擇 Axon-Hilllock（A-H，指神經(jīng)元中細(xì)胞體靠近軸突的區(qū)域）電路來制作尖峰 OECN，因?yàn)樗沁m用于尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNN）和基于事件的傳感器的最緊湊模型，該電路由 n 型和 p 型 OECTs 構(gòu)成。OECT 具有橫向 Ag/AgCl 柵極配置，在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上具有絲網(wǎng)印刷碳和銀電極，當(dāng)碳作為化學(xué)惰性層與聚合物半導(dǎo)體接觸時(shí)，銀底層會降低線電阻。第二，機(jī)電化學(xué)神經(jīng)元、類比生物神經(jīng)元和生物整合。OECNs 的運(yùn)行機(jī)制類似于生物神經(jīng)細(xì)胞，在靜止?fàn)顟B(tài)下，神經(jīng)細(xì)胞的外側(cè)帶有多余的正電荷，細(xì)胞內(nèi)側(cè)帶有多余的負(fù)電荷，這是由脂質(zhì)細(xì)胞膜的絕緣特性維持的。
與神經(jīng)細(xì)胞的操作類似，OECN 電路中通過整合注入輸入端（Iin）的電流產(chǎn)生尖峰。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，重置晶體管的工作原理類似于神經(jīng)細(xì)胞中的電壓依賴性鉀通道；膜電容對生物神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏膫鲗?dǎo)速度起著至關(guān)重要的作用，較低的膜電容會導(dǎo)致更快的傳播，在神經(jīng)細(xì)胞中，這種電容的減少是通過在軸突上包裹一層叫做髓鞘的絕緣層來實(shí)現(xiàn)的。
OECN 的一個(gè)顯著特征，尤其是與基于硅或 OFET 的尖峰神經(jīng)元相比，是能通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)的離子濃度直接控制尖峰頻率的能力。與生物神經(jīng)元需要膜電壓超過給定閾值才能產(chǎn)生脈沖的泄漏行為類似，OECN 電路不會在低于特定電流閾值時(shí)觸發(fā)。低功耗對于該電路在 SNN 和基于事件的傳感器中的應(yīng)用至關(guān)重要，該電路的主要功耗源是放大模塊，因此，電路的動態(tài)功耗是 IDD、動態(tài)和 VDD 的乘積。由于逆變器可以在 0.6 V 的低工作電壓下工作，IDD動態(tài)最大值為 25 μA，因此最大動態(tài)功耗為 15 μW。通過光刻技術(shù)降低通道尺寸，OECN 的功耗可以降低到更低的值，這將減少流過 OECT 的電流，較小的通道也將增加 OECT 的響應(yīng)時(shí)間，降低能耗。
為了展示 OECN 的生物整合能力，研究人員將這個(gè)完全打印的神經(jīng)元與維納斯捕蠅草連接起來，捕蠅草陷阱閉合也可以通過電刺激誘導(dǎo)，包括直流刺激、直接電荷注入、交流刺激和電容性感應(yīng)電流，使其非常適合與人工神經(jīng)元集成。OECSs 采用與 OECNs 相同的印刷電極結(jié)構(gòu)制造。OECS 的導(dǎo)電性的長期增加是通過在通道中施加?xùn)艠O電壓脈沖來實(shí)現(xiàn)的，這一過程類似于 N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體介導(dǎo)的生物突觸中新受體的插入，導(dǎo)致突觸強(qiáng)度的長期增加。OECS 共展示了 150 種不同的狀態(tài)，狀態(tài)保持時(shí)間超過 1000 秒。圖｜印刷的有機(jī)電化學(xué)突觸（來源：Nature Communications）第四，有機(jī)電化學(xué)神經(jīng)元和突觸的整合。在生物突觸中，每一次突觸前輸入都不會改變突觸強(qiáng)度，因?yàn)檫@會很快使突觸強(qiáng)度飽和。突觸前和突觸后神經(jīng)元尖峰之間的時(shí)間相關(guān)性構(gòu)成了突觸可塑性長期增加/減少的基礎(chǔ)，稱為尖峰時(shí)間依賴性可塑性（STDP），從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)想學(xué)習(xí)。為了進(jìn)一步說明 OECN 和 OECS 的重要性，本項(xiàng)研究展示了一個(gè)簡單的神經(jīng)突觸系統(tǒng)，使用一個(gè)連接到 OECN 的突觸晶體管進(jìn)行 Hebbian 學(xué)習(xí)（一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)規(guī)則，與人類觀察和認(rèn)識世界的過程非常吻合）。不是向神經(jīng)元輸入興奮性電流，而是向突觸施加電壓，根據(jù)其突觸強(qiáng)度將其轉(zhuǎn)換為電流，從而調(diào)節(jié)尖峰頻率。
這種有機(jī)電化學(xué)神經(jīng)突觸系統(tǒng)中演示 Hebbian 學(xué)習(xí)是一個(gè)重要步驟，有望擴(kuò)展到構(gòu)建具有局部學(xué)習(xí)能力的更復(fù)雜的感覺和處理系統(tǒng)。圖｜《攻殼機(jī)動隊(duì)》中人與機(jī)器結(jié)合的科幻場景研究人員表示，OECN 與硅基電路相比，具有 STDP 的神經(jīng)突觸系統(tǒng)的元件要少得多，電路可以大規(guī)模印刷并具有高制造產(chǎn)能，與基于 OFET 的電路相比，神經(jīng)元可以完全印刷在柔性基板上，并以更低的功率運(yùn)行，因此可以為未來物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)分布式低成本智能單元。
OECN 的尖峰頻率可以通過改變放大器的輸入電流、膜電容和電壓來調(diào)節(jié)，這種特性以及通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)濃度來調(diào)節(jié)峰值頻率的能力，更方便與生物系統(tǒng)進(jìn)行集成，有望促進(jìn)未來植入式設(shè)備的開發(fā)。研究人員將 OECN 與維納斯捕蠅器連接，根據(jù)神經(jīng)元的放電頻率誘導(dǎo)其肺葉閉合，證明了這種可能性。未來加上感知多種生物、物理和化學(xué)信號的獨(dú)特能力，能夠?qū)崿F(xiàn)多種傳感器檢測。圖｜動漫《EVA》中的超級生物計(jì)算機(jī)放眼未來，將多個(gè)傳感元件融合到神經(jīng)元本身的可能性，可以開發(fā)新型生物可集成的傳感器，應(yīng)用范圍從物聯(lián)網(wǎng)包裝的智能神經(jīng)形態(tài)、持續(xù)的身體健康監(jiān)測（即可穿戴電子設(shè)備）到腦機(jī)接口。由 OECNs 和 OECSs 組成的局部人工神經(jīng)突觸體系統(tǒng)有望與植物的信號系統(tǒng)、無脊椎動物和脊椎動物的擴(kuò)散神經(jīng)系統(tǒng)、外周神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)相結(jié)合產(chǎn)生更多可能性。
在很多科幻作品中，人類都大膽展望到未來生物體和機(jī)器的完美結(jié)合，雖然非常賽博朋克，但也并非毫無根據(jù)，也許隨著科技的進(jìn)步，當(dāng)科學(xué)家們能夠克服人機(jī)結(jié)合的種種挑戰(zhàn)后夢想就能成真。參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6點(diǎn)這里關(guān)注我??記得標(biāo)星~
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點(diǎn)擊舉報(bào)。
