 作者：庫珀 他花了 40 多年的時間，想要開發(fā)出一個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)計算研究的影響，進(jìn)而產(chǎn)生不少旨在實現(xiàn)神經(jīng)元級計算能力的硅架構(gòu)，通過神經(jīng)形態(tài)優(yōu)化計算策略。 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｜實驗過程中采集的神經(jīng)信號（來源：Nature Communications） 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，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，這在與生物集成時是一個明顯的關(guān)鍵問題。 而另外一個極具潛力的技術(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。
實驗中，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，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。 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，因為它是適用于尖峰神經(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，銀底層會降低線電阻。 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)元動作電位的傳導(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現(xiàn)的。 OECN 的一個顯著特征，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觸發(fā)。
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(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。
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)。
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)。
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。 https://www./articles/s41467-022-28483-6 熱門視頻推薦 |
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