韓國(guó)腦科學(xué)研究所和大邱慶北科技大學(xué)（DGIST）科研團(tuán)隊(duì)發(fā)布最新研究成果，他們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了3D電磁驅(qū)動(dòng)的微米級(jí)微型機(jī)器人，將小鼠胚胎的顱腦神經(jīng)細(xì)胞附著在其表面，通過(guò)體外連接方式，在顯微鏡下精準(zhǔn)移動(dòng)并控制神經(jīng)細(xì)胞，建立針對(duì)基礎(chǔ)腦科學(xué)領(lǐng)域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)通過(guò)體外形式利用機(jī)器人操控腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的夢(mèng)想。

據(jù)悉，該研究成果被發(fā)表在頂級(jí)科學(xué)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。

本論文通訊作者，韓國(guó)大邱慶北科技大學(xué)（DGIST）的Hongsoo Choi（音譯“崔宏秀”）教授告訴鈦媒體App，在腦科學(xué)研究領(lǐng)域，在體外實(shí)現(xiàn)具有高可再現(xiàn)性，形態(tài)和功能復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是諸如人工智能和腦工程等各種基礎(chǔ)研究的重要研究課題。

“這項(xiàng)研究中，通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)制造的微型機(jī)器人作為媒介，開(kāi)發(fā)了一個(gè)將神經(jīng)細(xì)胞運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢玫钠脚_(tái)。通過(guò)這種方式，可以構(gòu)建復(fù)雜而精確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)將細(xì)胞損傷降至最低。另外，通過(guò)在以這種方式實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中測(cè)量由神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的生理信號(hào)來(lái)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接的形成?！贝藓晷阏f(shuō)。

就在不久前的8月29日，埃隆·馬斯克（Elon Musk）聯(lián)合創(chuàng)辦的Neuralink公司公布腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)新進(jìn)展：利用最新發(fā)布的手術(shù)機(jī)器人V2，類(lèi)似“縫紉機(jī)”的效果，將約為一枚硬幣大小的腦機(jī)接口設(shè)備Link V0.9植入到實(shí)驗(yàn)豬的大腦，實(shí)現(xiàn)電波反饋，引發(fā)廣泛爭(zhēng)議。

實(shí)際上，Neuralink公布技術(shù)進(jìn)展，更多屬于腦機(jī)接口（Brain Machine Interface）領(lǐng)域，這只是腦科學(xué)技術(shù)的其中一個(gè)領(lǐng)域。

腦科學(xué)被叫做認(rèn)知科學(xué)，也可稱(chēng)之為神經(jīng)科學(xué)，這是一種探索大腦是如何工作的科學(xué)技術(shù)。腦科學(xué)研究大致可以分為以下三個(gè)領(lǐng)域：腦疾病防治研究、腦機(jī)接口研究和類(lèi)腦智能研究。

而崔宏秀團(tuán)隊(duì)發(fā)表的這篇論文，更多是在類(lèi)腦智能研究中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （Artificial neural network）領(lǐng)域的新技術(shù)成果。

“與馬斯克的Neuralink是不同的研究領(lǐng)域，很難直接去比較。”崔宏秀對(duì)鈦媒體App表示。

根據(jù)論文所述，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，市面上沒(méi)有對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人與（人腦）神經(jīng)是否可以連接進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，且大家對(duì)這類(lèi)型研究抱有很高的興趣，這讓團(tuán)隊(duì)找到了新的研究方向，促成了該論文的發(fā)布。

崔宏秀教授對(duì)鈦媒體App表示，盡管有了研究方向，但這一實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程是復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)的。

首先，科研團(tuán)隊(duì)使用基于激光的超精密加工設(shè)備，制造出由外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和控制的微米級(jí)機(jī)器人。

據(jù)悉，這一微型機(jī)器人高27 μm，寬5 μm，深2 μm，頂部具有縱向微槽，且內(nèi)置可量突信號(hào)傳輸?shù)腍D-MEA（離體微電極陣列）芯片，側(cè)面還有翻轉(zhuǎn)指標(biāo)器（A rollover indicator），以識(shí)別微型機(jī)器人“排列矩陣”的正確排列順序。

微型機(jī)器人的制造過(guò)程示意圖

第二步，科研人員培養(yǎng)從小鼠胚胎的大腦中提取的神經(jīng)細(xì)胞，使其附著在所制造的機(jī)器人矩陣的表面，觀察神經(jīng)突（也稱(chēng)為軸突和樹(shù)突）和神經(jīng)元細(xì)胞體（體細(xì)胞）的長(zhǎng)出情況，看大小是否易于控制。

第三步，科研人員將微型機(jī)器人上的這些神經(jīng)突引導(dǎo)至其逐漸傾斜的末端，從而將它們緩和到周?chē)幕咨?，表征在?lèi)似玻璃基板。在玻璃表面上實(shí)現(xiàn)500x500 μm的神經(jīng)簇陣列。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與培育，最終細(xì)胞成功長(zhǎng)到大約40 μm左右。

第四步，通過(guò)電荷耦合裝置，科研人員在半球形八個(gè)電磁線圈中完成疊加磁場(chǎng)部署環(huán)境。

最后一步，通過(guò)層層挑戰(zhàn)，在顯微鏡下，科研人員刺激并操縱神經(jīng)簇（ANC）陣列。發(fā)現(xiàn)在體外環(huán)境下，神經(jīng)細(xì)胞可以最快10秒內(nèi)到達(dá)所需位置，并在1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)與機(jī)器的通信連接，且微型機(jī)器人的控制精度在幾十μm級(jí)別（誤差范圍約為10％）。

通過(guò)這五個(gè)步驟，科研人員將所需數(shù)量的顱腦神經(jīng)細(xì)胞遞送到指定位置，從而展示了顱腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可能性。

這一研究顯示出，腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可以在體外與機(jī)器人之間進(jìn)行連接，人類(lèi)可以通過(guò)微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)體外腦神經(jīng)的精準(zhǔn)操控，將未知的操縱潛力被激發(fā)出來(lái)。

科研團(tuán)隊(duì)在論文中表示，新技術(shù)以高度可重復(fù)的方式提供了自然而簡(jiǎn)單的連接環(huán)境，利用小鼠胚胎的腦神經(jīng)細(xì)胞，結(jié)合腦科學(xué)+機(jī)器人，通過(guò)目標(biāo)位置的培育和成長(zhǎng)，最終精確實(shí)現(xiàn)神經(jīng)連接和調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸。

崔宏秀教授認(rèn)為，這項(xiàng)研究的核心是開(kāi)發(fā)基于基礎(chǔ)腦科學(xué)領(lǐng)域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程更多是在檢驗(yàn)這一平臺(tái)是否順利連接。

當(dāng)被問(wèn)及這一研究是否具有局限性時(shí)，崔宏秀教授對(duì)鈦媒體App表示，由于使用的MEA芯片性能不是十分先進(jìn)，因此在測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候，更多是在2D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，與更復(fù)雜的腦組織3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并不完全一致。未來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)將對(duì)3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造、3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下測(cè)量的神經(jīng)傳輸信號(hào)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和研究。

崔宏秀教授表示，未來(lái)他們依然會(huì)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行深入研究。

“我們希望這項(xiàng)研究成果，為先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供可控的體外模型潛在平臺(tái)。特別是在帕金森氏病和強(qiáng)迫癥患者中，利用該技術(shù)可以更快做出治療性干預(yù)措施，從而幫助他們緩解傷痛?！笨蒲袌F(tuán)隊(duì)在論文中這樣表示。

崔宏秀教授強(qiáng)調(diào)，在體外構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)重要的研究任務(wù)，可以用作各種基礎(chǔ)性研究（如人工智能和腦工程）的平臺(tái)。這是實(shí)現(xiàn)腦科學(xué)技術(shù)的終極目標(biāo)——“模擬大腦”（具有像人一樣智慧的機(jī)器）前的重要步驟。

原文標(biāo)題：科學(xué)家利用微米級(jí)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)體外腦神經(jīng)操控，腦科學(xué)迎來(lái)新突破

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