人造神經(jīng)元成功操縱植物，讓捕蠅草強(qiáng)行閉合，腦機(jī)接口新思路打開丨Nature子刊

博雯 2022-03-12 14:34:26 來源：量子位

博雯 發(fā)自 凹非寺

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每日一問：機(jī)械義肢什么時(shí)候普及？

二次元中里常用的解決方法是將神經(jīng)與硬件設(shè)備（包括各種電纜）相連，以達(dá)到控制的目的，當(dāng)然了，我們現(xiàn)在的科技水平還做不到。

于是有人就提出，能不能通過傳感器感知特定的場景來自動的完成相應(yīng)的動作，也就是“讓義肢它自己的想法”？

你別說，這個(gè)真可以有。

人造一個(gè)神經(jīng)元，直接讓捕蠅草遭四周空無一蟲的時(shí)候也能閉合：

對，你沒聽錯(cuò)，人造了一個(gè)神經(jīng)元。

將捕蠅草的生物細(xì)胞與這個(gè)特殊的神經(jīng)元相連，就能模擬大腦處理和傳遞信息，向捕蠅草的葉片“強(qiáng)加”一個(gè)“意識”。

（人造神經(jīng)元：你自閉吧！捕蠅草：好的）

還不僅如此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家還配合制作了神經(jīng)突觸，兩者連接，就相當(dāng)于人造了一個(gè)局部的神經(jīng)突觸系統(tǒng)。

能夠進(jìn)行赫布學(xué)習(xí)，具有短期可塑性的那種。

這個(gè)“人造神經(jīng)系統(tǒng)”來自一篇近期發(fā)表在Nature子刊Nature Communications上的論文，華人共同一作。

作者在論文中還表示，這種人工制造的局部神經(jīng)系統(tǒng)定義了一個(gè)新的前景：

未來，這一人工系統(tǒng)或許能與植物、無脊椎動物和脊椎動物的生物信號系統(tǒng)（如中樞神經(jīng)系統(tǒng)）進(jìn)行連接或更復(fù)雜的整合。

啊這，更復(fù)雜是指……

△《攻殼機(jī)動隊(duì)》中外化的機(jī)械人腦

“印刷噴涂”而成的人工神經(jīng)元

先從人造神經(jīng)元開始說起。

這種神經(jīng)元簡稱OECN，全名有機(jī)電化學(xué)神經(jīng)元（Organic ElectroChemical Neurons）。

它基于有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECTs）制成，是研究團(tuán)隊(duì)在2018年時(shí)開發(fā)的一種新型材料，使用絲網(wǎng)印刷和噴涂組合制成，可以在一張塑料薄片上印刷成千上萬個(gè)。

它的特性就是高度的生物相容性，這使得這種晶體管制成的神經(jīng)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。

將這些元件組合在一起，就能創(chuàng)建一個(gè)模擬神經(jīng)元行為的微型電路：

也因此，人造神經(jīng)元的運(yùn)行機(jī)制類似于生物神經(jīng)細(xì)胞。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，神經(jīng)細(xì)胞的外側(cè)帶有多余的正電荷，細(xì)胞內(nèi)側(cè)帶有多余的負(fù)電荷，同時(shí)，在膜電壓超過給定閾值時(shí)，生物神經(jīng)元就能產(chǎn)生脈沖。

而人造神經(jīng)元?jiǎng)t通過向輸入端注入電流產(chǎn)生尖峰，實(shí)現(xiàn)一種類似的動作電位的傳導(dǎo)，還能調(diào)節(jié)電解質(zhì)的離子濃度控制尖峰頻率。

將人造神經(jīng)元與捕蠅草連接，根據(jù)神經(jīng)元的放電頻率就能誘導(dǎo)其肺葉閉合：

加入突觸，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

但單個(gè)神經(jīng)元對于生物體來說是沒有意義的，研究團(tuán)隊(duì)的一位科學(xué)家表示：

神經(jīng)元和突觸一起構(gòu)成了大腦的基石。

于是，團(tuán)隊(duì)也制造了人工突觸OECSs，全稱有機(jī)電化學(xué)突觸（Organic ElectroChemical Synapses）。

突觸與神經(jīng)元采用相同的結(jié)構(gòu)制造，通過在通道中施加?xùn)艠O電壓脈沖，使人工突觸導(dǎo)電性可以長期增加：

通過實(shí)驗(yàn)，研究人員成功證明了制成的人工突觸進(jìn)行了赫布學(xué)習(xí)（Hebbian theory）：

即不再直接對神經(jīng)元輸入興奮性電流，而是向突觸施加電壓，根據(jù)其突觸強(qiáng)度將其轉(zhuǎn)換為電流，從而調(diào)節(jié)尖峰頻率。

赫布學(xué)習(xí)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一種理論，解釋了腦中的神經(jīng)元在學(xué)習(xí)的過程中所發(fā)生的的變化，即：兩個(gè)神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度會隨著活動的增加或減少。

神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度控制著不同大腦回路的功能，這也是信息編碼進(jìn)入大腦的關(guān)鍵。

當(dāng)然，也有不足。

我們大腦中的神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度會根據(jù)活動而實(shí)時(shí)增強(qiáng)或減弱，但現(xiàn)在的人工突觸只能不斷增強(qiáng)，但不能減少。

如果這種神經(jīng)元的連接強(qiáng)度不可逆，那也就無法形成有效的網(wǎng)絡(luò)。

賽博朋克又一步

不過，在前往的復(fù)雜的人工制造的感覺和處理系統(tǒng)之前，這種研究至少點(diǎn)亮了第一步。

與捕蠅草連接并成功誘導(dǎo)的“閉合”動作，就證明了未來或許還能實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的傳感器檢測，與生物系統(tǒng)進(jìn)行集成，促進(jìn)植入式設(shè)備的開發(fā)。

并且，這些人工神經(jīng)元的電路是印刷在柔性基板上的，可以進(jìn)行大規(guī)模的印刷，具有較高的制造產(chǎn)能。

軟體機(jī)器人、腦機(jī)接口，甚至賽博朋克中的人機(jī)結(jié)合，都是可想象的未來。

論文有兩位共同一作Padinhare Cholakkal Harikesh和Chi-Yuan Yang。

其中Chi-Yuan Yang為來自北京的華人科學(xué)家，博士畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)是瑞典的林雪平大學(xué)科學(xué)與技術(shù)系的一名博士后。

論文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6

參考鏈接：
[1]https://futurism.com/the-byte/scientists-control-venus-flytrap-with-implanted-computer-brain
[2]https://singularityhub.com/2022/02/25/scientists-created-an-artificial-neuron-that-can-make-a-venus-flytrap-snap/