作者:金凤 来源:科技日报 发布时间:2022/9/27 10:20:54
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助力破解脑机接口理解生物信息难题
人工神经元实现与活体细胞“对话互动”

 

人工神经元模拟神经元的基本功能,能对微摩尔浓度的多巴胺分子实现精准传感,并能在相同的浓度范围内释放多巴胺,实现了类似神经元间的化学交流。其成功研发,标志着人类在脑机接口研究方面的进一步突破。

王婷 南京邮电大学教授

揭秘大脑功能,解读脑部信号,不仅可为脑疾病提供诊疗依据,也能为研制类脑芯片提供思路。脑机接口是脑研究领域的热点,它是人脑与外界电子设备信息交互的通道,也是监测与解析脑部活动、治疗神经疾病、构建智能假肢等技术领域的基石。

大脑的决策、情绪调控等功能与神经递质密切相关。然而,绝大多数的脑机接口均依赖电信号作为通信媒介。这些脑机接口只能对电信号或物理信号做出反应,而不能直接与生物神经元连接,无法直接感知神经递质。这样的连接方式将不利于对大脑信息进行完整和精确的解释,特别是在解读与神经递质相关的复杂智能行为上存在壁垒。

如何让脑机接口与生物神经元“无缝对接”,从而更好实现信息交互?近日,科技日报记者从南京邮电大学获悉,该校教授汪联辉和教授王婷的团队与新加坡南洋理工大学教授陈晓东、南京医科大学教授胡本慧合作开发了一种基于神经递质双向交互的人工神经元,构建了模态兼容的脑机交互界面。相关成果近日发表于国际学术期刊《自然·电子学》。

通过人工神经元实现化学交流

神经元是大脑活动的最基本的单元,它们独特的形状和结构能快速传递神经系统信号。神经元上的树突是信号输入口,它们就像“天线”一样,在接收到信号后,引起神经元兴奋,将信号通过轴突传递给下一个神经元。

在生物体内,脑部神经元之间主要通过神经递质分子,最终实现决策、记忆、情绪等智能行为。

“脑机交互时,是通过脑部的电信号来了解脑部神经元群体的行为,但神经元之间通过神经递质进行交互。想要破解脑部的微观信息,了解人的情绪、记忆是如何编码的,就需要‘破解’神经递质的感知和释放过程。”王婷告诉科技日报记者。

为做到这点,研究团队开发了一种基于神经递质双向交互的人工神经元,它能够接收和自适应地定量发送神经递质多巴胺分子到活神经元。

王婷介绍,这种人工神经元包括一个多巴胺分子传感器、一个用于信号处理的忆阻器和一个多巴胺分子释放器。人工神经元模拟神经元的基本功能,能对微摩尔浓度的多巴胺分子实现精准传感,并能在相同的浓度范围内释放多巴胺,实现了类似神经元间的化学交流。

“具体来说,在实验中,当多巴胺在传感器上发生氧化反应后,传感器会采集到电流信号,由此激活忆阻器及分子释放器。多巴胺不同的分子浓度对应不同的电流,分子浓度越高,电流就会越大。当电流高到一定程度后,释放器中的水凝胶就会释放多巴胺。”王婷说。

探索人工、活体神经元间通信

在此次研究中,科研人员通过将人工神经元与小鼠类神经元细胞相连接,来测试人工神经元的交流能力。

他们发现,人工神经元能够感知和响应由活体神经元细胞产生和发送的多巴胺,并释放自身的部分多巴胺。人工神经元释放的多巴胺,随后在活体神经元细胞中能够产生反应。

研究者们通过多巴胺诱导产生的电刺激,促使机器人的手移动。同时,该电刺激也可以被用来刺激坐骨神经移动,从而引起小鼠的肌肉运动。这些结果表明,人工神经元成功地将神经递质信息传递给了进一步控制反馈的神经。

“在这项研究中,我们探索了一种人工神经元与活神经元基于化学语言的同模态通信,希望能为基于神经递质的神经假体和类脑芯片系统开辟出一条新途径。”王婷表示。

尽管人工神经元的成功研发标志着人类在脑机接口研究方面的进一步突破,但王婷坦言,就目前来说,人工神经元和活神经元在系统性能上仍然存在差距,例如如何让传感器更快地感知生物分子、忆阻器如何降低功耗,能否开发出更微小的释放器。

“未来,还需要来自材料、电子、生物、化学等领域的科研工作者共同努力来解决,以逐步降低系统的响应时间和功耗,优化系统封装技术,并进一步提升系统在生物体中的稳定性。”王婷说。

谈及未来的研究计划,王婷表示,他们一方面将优化材料和器件结构,进一步缩短人工神经元系统性能与生物体之间的差距;另一方面,他们试图建立一个化学介导的神经元网络,来完成复杂的情绪关联活动。

“我们希望在未来能用人工神经元网络复刻生物系统,为构建微型智能机器人,增强智能感知等新型技术的迭代提供支撑。”王婷说。

 
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