第一個(gè)人工數(shù)字神經(jīng)元已在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建，旨在恢復(fù)失去的大腦功能。科學(xué)家們計(jì)劃使用這些芯片來治療神經(jīng)退行性疾病。

阿爾茨海默氏癥是一種神經(jīng)退行性疾病，涉及神經(jīng)元的進(jìn)行性死亡，并伴有認(rèn)知、行為和運(yùn)動(dòng)后果；這有點(diǎn)像帶走受影響者的靈魂，不僅對(duì)患者而且對(duì)他們的家人都是毀滅性的。阿爾茨海默病仍然難以治療，但研究人員正在探索可能有助于改善患者生活質(zhì)量的新納米技術(shù)解決方案。

由英國巴斯大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究小組在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了第一個(gè)人工神經(jīng)元，這是一種微型設(shè)備，旨在修復(fù)神經(jīng)回路并恢復(fù)失去的功能?？茖W(xué)家們計(jì)劃使用這種仿生芯片來治療與心臟相關(guān)的疾病和神經(jīng)退行性疾病。

根據(jù) Trust Source 2016 年的一項(xiàng)研究，每 66 秒就有一個(gè)人患上阿爾茨海默病。分析人士指出，總共約有 540 萬成年人患有這種疾病。它的特點(diǎn)是進(jìn)行性記憶喪失和其他認(rèn)知功能的退化，這些功能會(huì)損害日常活動(dòng)的表現(xiàn)。目前還沒有治愈方法，盡管有臨床治療可以延長(zhǎng)個(gè)人能夠進(jìn)行日?；顒?dòng)的時(shí)間。

長(zhǎng)期以來，人們一直在研究生物細(xì)胞的電學(xué)特性以了解細(xì)胞內(nèi)動(dòng)力學(xué)。迄今為止，難以測(cè)量控制離子電流動(dòng)力學(xué)和離子電導(dǎo)非線性的微觀參數(shù)阻礙了構(gòu)建定量計(jì)算模型的努力。這使得創(chuàng)建能夠復(fù)制生物神經(jīng)元的精確反應(yīng)的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備變得困難。

對(duì)用于治療慢性疾病的可植入生物電子學(xué)的日益關(guān)注正在推動(dòng)技術(shù)朝著精確模仿生物電路的低功耗固態(tài)模擬設(shè)備發(fā)展。

無論系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性如何，模擬異步電子設(shè)備都是立即集成原始神經(jīng)刺激的最有前途的方法。此外，最近構(gòu)建定量神經(jīng)元計(jì)算模型的努力集中在將 Hodgkin-Huxley (HH) 模型推廣到多通道模型上。

巴斯大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與瑞士蘇黎世大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)和一些意大利研究人員的同事密切合作。他們一起設(shè)計(jì)了第一個(gè)人工神經(jīng)元，旨在恢復(fù)因阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥等各種神經(jīng)退行性疾病而受損的功能。該研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

“任何患有退行性疾病的區(qū)域，例如阿爾茨海默氏癥，或者神經(jīng)元由于年齡、疾病或受傷而停止正常放電的區(qū)域，那么理論上，你可以用合成電路代替有缺陷的生物電路，”Alain 說Nogaret，一位在巴斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的物理學(xué)家。

該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的芯片是基于硅的微型設(shè)備，以模仿真實(shí)神經(jīng)元“工作”的生物離子通道為模型。目標(biāo)是讓這些芯片修復(fù)退行性疾病造成的損傷，恢復(fù)神經(jīng)回路的主要功能。在實(shí)踐中，它們代表了神經(jīng)管被中斷的地方的連接橋。

這些芯片植入物僅消耗 140 納瓦，大約是微處理器所需能量的十億分之一。超低能耗很重要，因?yàn)檫@意味著芯片可以在無電池的情況下運(yùn)行，完全依靠能量收集。

科學(xué)家的下一個(gè)目標(biāo)將是研究侵入性較小的非手術(shù)方法來應(yīng)用深部腦刺激，使阿爾茨海默病患者更容易獲得這種治療，從而更容易支持人工智能的實(shí)施。

固態(tài)神經(jīng)元，或者更確切地說是電子流，在模擬大腦環(huán)境的各種當(dāng)前算法的刺激下，對(duì)生物神經(jīng)元的反應(yīng)幾乎相同。未來的挑戰(zhàn)肯定會(huì)涉及響應(yīng)的效率和通過深度學(xué)習(xí)工具對(duì)模型的改進(jìn)。第一個(gè)硅神經(jīng)元是所謂的生物電子醫(yī)學(xué)的一個(gè)例子，它使用人造材料模仿自然電路和過程。圖 1 和圖 2 顯示了發(fā)表在科學(xué)文章中的電路分析研究和相關(guān)模擬。

圖 1：仿生固態(tài)離子通道。a) 離子物質(zhì) α 的電導(dǎo)由激活門和失活門調(diào)制。凈離子電流 Iα 是活化電流 (Im) 和失活電流 (Ih) 之間的差值。Heaviside 函數(shù) θ() 指定電流鏡在 Im>Ih 時(shí)輸出正電流 Iα，否則為 0。b) 神經(jīng)元膜的等效電路。c-g) (c) 柵極恢復(fù)時(shí)間、(d) 電流鏡、e) 電流倍增、(f) 跨導(dǎo)放大和 (g) sigmoidal 激活/失活的子電路框圖。（圖片：自然通訊）

圖 2：使用固態(tài)神經(jīng)元的雙胞胎實(shí)驗(yàn)。a）由混合超混沌振蕩與電流步驟（藍(lán)線）的電流協(xié)議刺激的亞閾值神經(jīng)元（黑線）的膜電壓。b) 模型預(yù)測(cè)的不同電流的膜電壓。c) 膜電壓振蕩的細(xì)節(jié)。d) 幾個(gè)狀態(tài)變量的預(yù)測(cè)時(shí)間依賴性。e) 同化窗口上動(dòng)作電位的相圖。（圖片：自然通訊）

有問題的芯片是在醫(yī)學(xué)中實(shí)施納米電子學(xué)的技術(shù)飛躍。此外，還可以為幾個(gè)重要參數(shù)安裝 GPS 和其他控制解決方案。所有這一切都得益于微電子和超低功耗解決方案的優(yōu)勢(shì)。這些芯片可以在特定時(shí)間激活各種信號(hào)、測(cè)量心率、測(cè)量血壓、血糖水平等?？傊?，徹底治愈有史以來最嚴(yán)重的疾病的道路正變得越來越有效。納米電子學(xué)的進(jìn)步正在將我們轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字人類，并且越來越“連接”。

審核編輯 黃昊宇