研究人員創(chuàng)造了一種可以與神經(jīng)元樣細胞整合并相互作用的設備。這可能是邁向在腦機接口中使用人工突觸的第一步。2017年，斯坦福大學的研究人員提出了一種新設備，該設備可以模仿大腦的高效和低能量的神經(jīng)學習過程。這是人工合成的突觸，由有機材料制成，是神經(jīng)遞質(zhì)穿越神經(jīng)元之間進行交流的間隙。

在2019年，研究人員將九個人工突觸排列成陣列，顯示可以同時編程以模仿大腦的平行操作。

材料科學與工程學副教授Alberto Salleo和研究生Scott Scott于2017年拍攝的照片描述了以前的人工突觸設計的電化學特性。他們最新的人工突觸是一種與活細胞整合的生物雜交裝置。圖片來源：斯坦福大學LA Cicero

現(xiàn)在，在《自然材料》上發(fā)表的 一篇論文中，他們已經(jīng)測試了其人工突觸的第一個生物雜交版本，并證明了它可以與活細胞進行通訊。這種設備產(chǎn)生的未來技術(shù)可以通過直接響應來自大腦的化學信號來發(fā)揮作用。這項研究是與位于意大利那不勒斯的意大利理工學院(IITituto Italiano di Tecnologia)和荷蘭的埃因霍溫科技大學的研究人員合作進行的。

斯坦福大學材料科學與工程學教授，該論文的共同資深作者阿爾貝托·薩萊奧(Alberto Salleo)表示：“本文確實突出了我們用于與生物相??互作用的材料的獨特優(yōu)勢 。” “細胞很高興坐在柔軟的聚合物上。但是兼容性更深了：這些材料可以與神經(jīng)元自然使用的相同分子協(xié)同工作。”

雖然其他與大腦集成的設備需要電信號來檢測和處理大腦的信息，但該設備與活細胞之間的通信是通過電化學進行的，就好像該材料只是從鄰居那里接收信息的另一個神經(jīng)元一樣。

神經(jīng)元如何學習

生物混合人工突觸由兩個柔軟的聚合物電極組成，兩個電極之間被充滿電解質(zhì)溶液的溝槽分隔開，該溝槽起著突觸間隙的作用，該間隙分隔了大腦中交流的神經(jīng)元。當活細胞放在一個電極的頂部時，那些細胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)可以與該電極反應產(chǎn)生離子。這些離子穿過溝槽到達第二電極，并調(diào)節(jié)該電極的導電狀態(tài)。這些變化中的一些被保留下來，模擬了自然界中發(fā)生的學習過程。

“在生物突觸中，基本上所有事物都由突觸連接處的化學相互作用控制。斯坦福大學的研究生，該論文的共同主要作者斯科特·基恩(Scott Keene)說，每當細胞彼此交流時，它們就使用化學反應。“能夠與大腦的自然化學相互作用，為該設備增加了實用性。”

這個過程模仿了生物突觸中的相同學習，這種學習在能量方面非常高效，因為計算和內(nèi)存存儲只發(fā)生在一個動作中。在更傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)中，首先處理數(shù)據(jù)，然后再將其移動到存儲中。

為了測試他們的設備，研究人員使用了能釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的大鼠神經(jīng)內(nèi)分泌細胞。在進行實驗之前，他們不確定多巴胺將如何與材料發(fā)生相互作用-但在第一次反應后，他們發(fā)現(xiàn)裝置的狀態(tài)發(fā)生了永久性變化。

Keene說：“我們知道反應是不可逆的，因此可以永久改變設備的導電狀態(tài)，這是有道理的。” “但是，直到我們看到它在實驗室中出現(xiàn)之前，很難知道我們是否會達到我們在紙上預測的結(jié)果。那是當我們意識到模仿突觸的長期學習過程所具有的潛力。”

第一步

這種生物雜交設計尚處于早期階段，以至于當前研究的主要重點只是使其發(fā)揮作用。

Salleo說：“這證明了將化學和電融為一體的交流是可能的。” “您可以說這是邁向腦機接口的第一步，但這只是很小而很小的第一步。”

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)成功測試了他們的設計，他們正在尋找未來研究的最佳途徑，其中可能包括在腦啟發(fā)計算機，腦機接口，醫(yī)療設備或神經(jīng)科學新研究工具上的工作。他們已經(jīng)在研究如何使該設備在包含各種細胞和神經(jīng)遞質(zhì)的更復雜的生物環(huán)境中發(fā)揮更好的功能。

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