“超级仿生芯片”可再现生物神经元行为：像人一样感知的机器不再是梦？

一块小小的硅芯片，居然可以为脊髓损伤和心力衰竭提供新的治疗选择？

日前，科学家们宣布制造出了一种微小的新型硅微芯片，它的体积小到足以轻放在指尖。而且，研究人员首次成功地将生物神经元的电特性复制到半导体芯片上，使之与人体中存在的生物神经细胞“几乎相同”。

（图源：巴斯大学）

该研究小组认为，低功耗单芯片电池可用于生物电子设备和植入物，从而为对抗影响神经系统的疾病（如阿尔茨海默氏病、心力衰竭或​​脊髓损伤）提供了新的途径。

神经细胞或神经元遍布整个大脑和神经系统，并通过其长而细长的手臂迅速发送电信号，从而将信息从大脑传递到身体并返回。它们的信号传导活动需要将机械或化学信号转换为电信号的离子通道。这就发生在我们所有神经冲动的复杂运动，但这种复杂性也使得研究人员们很难弄清细胞对某些刺激的反应。

英国巴斯大学的物理学家，该研究的合著者阿兰·诺加雷特（Alain Nogaret）在新闻稿中说：“直到现在，神经元都像黑匣子一样，但我们设法打开了黑匣子并观察里面的状况。” “我们的工作正在发生范式变化，因为它提供了一种可靠的方法来从细节上再现真实神经元的电特性。”

这项新研究于12月3日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上，由巴斯大学领导的研究小组，包括来自布里斯托大学、苏黎世大学和奥克兰大学的研究人员合作开展。

它详细介绍了一种突破性技术，该技术可在微型芯片上再现神经元的电学特性，有望开发出仿生芯片来修复神经系统中因病而导致功能异常的生物电路。该团队能够复制大脑中记忆所需的单个神经细胞（“海马神经元”）和呼吸所需的动力学（“呼吸神经元”）。芯片具有许多合成离子通道，这些通道负责生物细胞中的电脉冲。

将信号与在大鼠海马神经元和大鼠脑干神经元中发现的信号进行比较，研究小组通过60个电刺激方案，他们对响应进行了建模，发现固态神经元产生的电响应，几乎和生物神经元一模一样。

尽管这项研究显示了未来潜在的生物医学植入物的前景，但作者指出，还需要考虑神经细胞的其他特征。

该芯片的作用类似于单个细胞，但神经细胞是具有分支臂（称为树突）的复杂存在，负责在细胞之间传播信号。该团队人为他们的模型将“生物神经元的完整动力学”通过芯片这一机制显现出来，同时注意到可能需要添加第二个可以描述树突活性特性的部分。

至关重要的是，人造神经元不仅表现得像生物神经元一样，而且仅需要微处理器的十亿分之一的功率（约140纳瓦），因此非常适合用于医疗植入物和其他生物电子设备，还可能为仿生传感器铺就一条新路。像人一样感知的机器或许不是梦。

人造神经元可以通过复制患病的生物电路并恢复其健康功能，并对生物反馈作出充分反应，以恢复身体功能，从而修复这些疾病。

数十年来，设计对神经系统的电信号像真实神经元一样做出反应的人工神经元一直是医学上的主要目标，这些研究有助于在神经元无法正常工作的情况下进行修复。例如，在心力衰竭中，大脑底部的神经元无法对神经系统的反馈做出适当的响应，从而又无法向心脏发送正确的信号，从而使心脏无法像应有的那样强烈地跳动。

然而，由于复杂的生物学和难以预测的神经元反应，开发人工神经元一直是一个巨大的挑战。科学家们花了多年的时间来制造更加酷似生物神经元的芯片模型。但是，试图在现代硅片上模拟天然构造时，依然存在着一定缺陷，结果就是“失之毫厘，谬以千里”。

此次研究人员成功地建模和推导了方程，以解释神经元如何响应其他神经的电刺激。这是非常复杂的，因为响应是“非线性的”——换句话说，如果信号增强了两倍，它不一定会引起两倍同等的反应，可能会导致增强三倍。

然后，他们设计了能够对生物离子通道进行精确建模的硅芯片，然后证明其硅神经元精确地模仿了对各种刺激做出反应的真实、活着的神经元。

研究人员在广泛的刺激下准确地复制了大鼠海马神经元和呼吸神经元的完整动力学。

苏黎世大学和ETF苏黎世研究的合著者Giacomo Indiveri教授补充说：“由于其独特的识别关键模拟电路参数的方法，这项工作为神经形态芯片设计开辟了新领域。”