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      科幻正在成真!人造神經元成功控制捕蠅草,或助推腦機接口變革

      作者:學術頭條

      作者:庫珀

      20 世紀 80 年代 ,美國計算機科學 家卡弗·米德在一篇論文中提 出 了 “神經形態工程”一詞 。

      他花了 40 多年的時間,想要開發出一個可以模擬人體感官和處理機制(比如觸覺、視覺、聽覺和大腦思維等)的分析系統。 如今,雖然許多人還不太熟知什么是神經形態計算技術,但對基于這些系統理論的更廣義的技術——人工智能——卻并不陌生。 近年來, 許多智能芯片的架構,都在受到神經形態計算研究的影響,進而產生不少旨在實現神經元級計算能力的硅架構,通過神經形態優化計算策略。

      放眼未來,腦機接口技術是一種典型的神經形態工程應用,科學家需要將人工神經形態設備與生物系統集成在一起,從而修復和增強人體功能。 但是, 由于人工神經形態設備通常生物相容性差、電路復雜、能源效率低,以及與生物的離子信號調制有根本不同的工作原理,基于硅的神經形態設備在生物集成潛力方面受到極大限制。今天,發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的最新論文報道了一種人造神經元(OECN),它能成功地與捕蠅草的生物細胞連接起來,可以讓這種植物關閉葉瓣。

      圖|實驗過程中采集的神經信號(來源:Nature Communications)

      據論文描述,OECNs 還可以與所有印刷的有機電化學突觸(OECSs)整合,并對多種刺激作出反應,為局部人工神經元系統定義了一個新的前景,有望與植物、昆蟲乃至脊椎動物的生物信號系統集成。這一發現可能對腦機接口和軟機器人技術的未來發展具有啟示意義。

      人工神經元的探索

      眾所周知,生物的基本構成要素與電子設備有本質不同。因此, 將人工設備與生物系統聯系起來的能力是一個棘手的新興科研領域。盡管基于軟件的神經形態算法已被集成到生物醫學系統中,但基于硬件的系統最終還是需要的,這些系統與活體組織緊密連接,并能夠利用對事件的感知,以及生物系統的處理能力進化其功能。 而借用生物信號系統設計概念的神經形態系統有望彌合這一鴻溝。近年來,有機半導體曾被業界十分看好,在人工突觸、神經電子學和神經接口方面的應用日益增多,從結構角度來看,有機半導體具有溶液可加工、生物相容性、生物可降解性、柔軟性等特點,能夠提供特定的激發、傳感和驅動能力,并支持電子和離子信號的傳輸。 相關報道提到的有機場效應晶體管(OFETs)的人工神經元就展示出了很大用途,但運行起來需要高電壓(5V)輸入才能運行,這在與生物集成時是一個明顯的關鍵問題。 而另外一個極具潛力的技術方向,是有機電化學晶體管(OECTs),它由有機體溝道材料的柵極驅動離子摻雜/反摻雜調制,類似于生物系統的離子驅動過程和動力學。 與 OFET 相比,OECT 可在相當低的電壓(<1V)下工作,具有更高的跨導和良好的閾值電壓穩定性,且通常具有高度的生物相容性,這些特性使 OECT 成為開發可印刷的、生物相容的人工尖峰神經電路的理想候選者,該電路具有離子介導的尖峰機制,與生物系統的信號特征非常相似。

      圖|有機電化學神經元及與生物神經元的類比(來源:Nature Communications)

      在本項最新成果中,OECNs 表現出幾種神經元特征,包括離子濃度依賴性尖峰和與印刷有機電化學突觸(OECSs)整合的尖峰時間依賴性可塑性(STDP),它對大范圍的輸入電流(0.1–10 μA)做出響應,頻率調制超過 450%。

      實驗中,科研人員首次利用晶體管的離子濃度依賴性開關特性,能在很大程度上與生物系統類似地調節尖峰頻率,這在基于 OFET 或基于硅的神經元中是不可能的。 這種電導調節實現了具有成對脈沖促進作用的短期可塑性和保持 1000 秒以上的長期可塑性。他們預計,OECNs 的柔軟性、在柔性基底上打印的能力、離子調制尖峰和多刺激響應將為與生物神經網絡的簡易集成應用開辟新路徑。

      關鍵環節和發現

      整體而言,這項研究成果有四個關鍵環節。

      第一,印刷有機電化學晶體管。

      研究人員選擇 Axon-Hilllock(A-H,指神經元中細胞體靠近軸突的區域)電路來制作尖峰 OECN,因為它是適用于尖峰神經網絡(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)襯底上具有絲網印刷碳和銀電極,當碳作為化學惰性層與聚合物半導體接觸時,銀底層會降低線電阻。

      第二,機電化學神經元、類比生物神經元和生物整合。

      OECNs 的運行機制類似于生物神經細胞,在靜止狀態下,神經細胞的外側帶有多余的正電荷,細胞內側帶有多余的負電荷,這是由脂質細胞膜的絕緣特性維持的。 與神經細胞的操作類似,OECN 電路中通過整合注入輸入端(Iin)的電流產生尖峰。進一步研究發現,重置晶體管的工作原理類似于神經細胞中的電壓依賴性鉀通道;膜電容對生物神經元動作電位的傳導速度起著至關重要的作用,較低的膜電容會導致更快的傳播,在神經細胞中,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現的。 OECN 的一個顯著特征,尤其是與基于硅或 OFET 的尖峰神經元相比,是能通過調節電解質的離子濃度直接控制尖峰頻率的能力。與生物神經元需要膜電壓超過給定閾值才能產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觸發。

      低功耗對于該電路在 SNN 和基于 事件的傳感器中的應用至關重要,該電路的主要功耗源是放大模塊,因此,電路的動態功耗是 IDD、動態和 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動態最大值為 25 μA,因此最大動態功耗為 15 μW。通過光刻技術降低通道尺寸,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 的響應時間,降低能耗。

      為了展示 OECN 的生物整合能力,研究人員將這個完全打印的神經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,包括直流刺激、直接電荷注入、交流刺激和電容性感應電流,使其非常適合與人工神經元集成。

      第三,印刷有機電化學突觸。

      OECSs 采用與 OECNs 相同的印刷電極結構制造。OECS 的導電性的長期增加是通過在通道中施加柵極電壓脈沖來實現的,這一過程類似于 N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體介導的生物突觸中新受體的插入,導致突觸強度的長期增加。OECS 共展示了 150 種不同的狀態,狀態保持時間超過 1000 秒。

      圖|印刷的有機電化學突觸(來源:Nature Communications)

      第四,有機電化學神經元和突觸的整合。

      在生物突觸中,每一次突觸前輸入都不會改變突觸強度,因為這會很快使突觸強度飽和。突觸前和突觸后神經元尖峰之間的時間相關性構成了突觸可塑性長期增加/減少的基礎,稱為尖峰時間依賴性可塑性(STDP),從而實現聯想學習。

      為了進一步說明 OECN 和 OECS 的重要性,本項研究展示了一個簡單的神經突觸系統,使用一個連接到 OECN 的突觸晶體管進行 Hebbian 學習(一種無監督學習規則,與人類觀察和認識世界的過程非常吻合)。不是向神經元輸入興奮性電流,而是向突觸施加電壓,根據其突觸強度將其轉換為電流,從而調節尖峰頻率。 這種有機電化學神經突觸系統中演示 Hebbian 學習是一個重要步驟,有望擴展到構建具有局部學習能力的更復雜的感覺和處理系統。

      圖|《攻殼機動隊》中人與機器結合的科幻場景

      “人機結合”未來可期

      研究人員表示, OECN 與硅基電路相比,具有 STDP 的神經突觸系統的元件要少得多,電路可以大規模印刷并具有高制造產能,與基于 OFET 的電路相比,神經元可以完全印刷在柔性基板上,并以更低的功率運行,因此可以為未來物聯網開發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、膜電容和電壓來調節,這種特性以及通過調節電解質濃度來調節峰值頻率的能力, 更方便與生物系統進行集成,有望促進未來植入式設備的開發。

      研究人員將 OECN 與維納斯捕蠅器連接,根據神經元的放電頻率誘導其肺葉閉合,證明了這種可能性。未來加上感知多種生物、物理和化學信號的獨特能力,能夠實現多種傳感器檢測。

      圖|動漫《EVA》中的超級生物計算機

      放眼未來, 將多個傳感元件融合到神經元本身的可能性,可以開發新型生物可集成的傳感器,應用范圍從物聯網包裝的智能神經形態、持續的身體健康監測(即可穿戴電子設備)到腦機接口。

      由 OECNs 和 OECSs 組成的局部人工神經突觸體系統有望與植物的信號系統、無脊椎動物和脊椎動物的擴散神經系統、外周神經系統和中樞神經系統相結合產生更多可能性。 在很多科幻作品中,人類都大膽展望到未來生物體和機器的完美結合,雖然非常賽博朋克,但也并非毫無根據,也許隨著科技的進步,當科學家們能夠克服人機結合的種種挑戰后夢想就能成真。

      參考資料: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6

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