人工神經(jīng)元實現(xiàn)與活體細胞“對話互動”

文／金 鳳

揭秘大腦功能，解讀腦部信號，不僅可為腦疾病提供診療依據(jù)，也能為研制類腦芯片提供思路。腦機接口是腦研究領(lǐng)域的熱點，它是人腦與外界電子設備信息交互的通道，也是監(jiān)測與解析腦部活動、治療神經(jīng)疾病、構(gòu)建智能假肢等技術(shù)領(lǐng)域的基石。

大腦的決策、情緒調(diào)控等功能與神經(jīng)遞質(zhì)密切相關(guān)。然而，絕大多數(shù)的腦機接口均依賴電信號作為通信媒介。這些腦機接口只能對電信號或物理信號做出反應，而不能直接與生物神經(jīng)元連接，無法直接感知神經(jīng)遞質(zhì)。這樣的連接方式將不利于對大腦信息進行完整和精確的解釋，特別是在解讀與神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的復雜智能行為上存在壁壘。

如何讓腦機接口與生物神經(jīng)元“無縫對接”，從而更好實現(xiàn)信息交互？近日，科技日報記者從南京郵電大學獲悉，該校教授汪聯(lián)輝和教授王婷的團隊與新加坡南洋理工大學教授陳曉東、南京醫(yī)科大學教授胡本慧合作開發(fā)了一種基于神經(jīng)遞質(zhì)雙向交互的人工神經(jīng)元，構(gòu)建了模態(tài)兼容的腦機交互界面。相關(guān)成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·電子學》。

通過人工神經(jīng)元實現(xiàn)化學交流

神經(jīng)元是大腦活動的最基本的單元，它們獨特的形狀和結(jié)構(gòu)能快速傳遞神經(jīng)系統(tǒng)信號。神經(jīng)元上的樹突是信號輸入口，它們就像“天線”一樣，在接收到信號后，引起神經(jīng)元興奮，將信號通過軸突傳遞給下一個神經(jīng)元。

在生物體內(nèi)，腦部神經(jīng)元之間主要通過神經(jīng)遞質(zhì)分子，最終實現(xiàn)決策、記憶、情緒等智能行為。

“腦機交互時，是通過腦部的電信號來了解腦部神經(jīng)元群體的行為，但神經(jīng)元之間通過神經(jīng)遞質(zhì)進行交互。想要破解腦部的微觀信息，了解人的情緒、記憶是如何編碼的，就需要‘破解’神經(jīng)遞質(zhì)的感知和釋放過程。”王婷告訴科技日報記者。

為做到這點，研究團隊開發(fā)了一種基于神經(jīng)遞質(zhì)雙向交互的人工神經(jīng)元，它能夠接收和自適應地定量發(fā)送神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺分子到活神經(jīng)元。

王婷介紹，這種人工神經(jīng)元包括一個多巴胺分子傳感器、一個用于信號處理的憶阻器和一個多巴胺分子釋放器。人工神經(jīng)元模擬神經(jīng)元的基本功能，能對微摩爾濃度的多巴胺分子實現(xiàn)精準傳感，并能在相同的濃度范圍內(nèi)釋放多巴胺，實現(xiàn)了類似神經(jīng)元間的化學交流。

“具體來說，在實驗中，當多巴胺在傳感器上發(fā)生氧化反應后，傳感器會采集到電流信號，由此激活憶阻器及分子釋放器。多巴胺不同的分子濃度對應不同的電流，分子濃度越高，電流就會越大。當電流高到一定程度后，釋放器中的水凝膠就會釋放多巴胺。”王婷說。

探索人工、活體神經(jīng)元間通信

在此次研究中，科研人員通過將人工神經(jīng)元與小鼠類神經(jīng)元細胞相連接，來測試人工神經(jīng)元的交流能力。

他們發(fā)現(xiàn)，人工神經(jīng)元能夠感知和響應由活體神經(jīng)元細胞產(chǎn)生和發(fā)送的多巴胺，并釋放自身的部分多巴胺。人工神經(jīng)元釋放的多巴胺，隨后在活體神經(jīng)元細胞中能夠產(chǎn)生反應。

研究者們通過多巴胺誘導產(chǎn)生的電刺激，促使機器人的手移動。同時，該電刺激也可以被用來刺激坐骨神經(jīng)移動，從而引起小鼠的肌肉運動。這些結(jié)果表明，人工神經(jīng)元成功地將神經(jīng)遞質(zhì)信息傳遞給了進一步控制反饋的神經(jīng)。

“在這項研究中，我們探索了一種人工神經(jīng)元與活神經(jīng)元基于化學語言的同模態(tài)通信，希望能為基于神經(jīng)遞質(zhì)的神經(jīng)假體和類腦芯片系統(tǒng)開辟出一條新途徑。”王婷表示。

盡管人工神經(jīng)元的成功研發(fā)標志著人類在腦機接口研究方面的進一步突破，但王婷坦言，就目前來說，人工神經(jīng)元和活神經(jīng)元在系統(tǒng)性能上仍然存在差距，例如如何讓傳感器更快地感知生物分子、憶阻器如何降低功耗，能否開發(fā)出更微小的釋放器。

“未來，還需要來自材料、電子、生物、化學等領(lǐng)域的科研工作者共同努力來解決，以逐步降低系統(tǒng)的響應時間和功耗，優(yōu)化系統(tǒng)封裝技術(shù)，并進一步提升系統(tǒng)在生物體中的穩(wěn)定性?！蓖蹑谜f。

談及未來的研究計劃，王婷表示，他們一方面將優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，進一步縮短人工神經(jīng)元系統(tǒng)性能與生物體之間的差距；另一方面，他們試圖建立一個化學介導的神經(jīng)元網(wǎng)絡，來完成復雜的情緒關(guān)聯(lián)活動。

“我們希望在未來能用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡復刻生物系統(tǒng)，為構(gòu)建微型智能機器人，增強智能感知等新型技術(shù)的迭代提供支撐。”王婷說。

（文章來源：《科技日報》）