人造神經元成功操縱植物,讓捕蠅草強行閉合,腦機接口新思路打開丨Nature子刊

博雯 發自 凹非寺,量子位 | 公眾號 QbitAI

每日一問:機械義肢什麼時候普及?

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二次元中裡常用的解決方法是將神經與硬體設備(包括各種電纜)相連,以達到控制的目的,當然了,我們現在的科技水平還做不到。

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

你別說,這個真可以有。

人造一個神經元,直接讓捕蠅草遭四周空無一蟲的時候也能閉合:

對,你沒聽錯,人造了一個神經元

對,你沒聽錯,人造了一個神經元。

將捕蠅草的生物細胞與這個特殊的神經元相連,就能模擬大腦處理和傳遞資訊,向捕蠅草的葉片「強加」一個「意識」。

(人造神經元:你自閉吧!捕蠅草:好的)

(人造神經元:你自閉吧!捕蠅草:好的)

還不僅如此,進行實驗的科學家還配合製作了神經突觸,兩者連接,就相當於人造了一個局部的神經突觸系統。

能夠進行赫布學習,具有短期可塑性的那種。

這個「人造神經系統」來自一篇近期發表在Nature子刊Nature Communications上的論文,華人共同一作。

作者在論文中還表示,這種人工製造的局部神經系統定義了一個新的前景:

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

啊這,更復雜是指……

啊這,更復雜是指……
《攻殼機動隊》中外化的機械人腦

「印刷噴塗」而成的人工神經元

先從人造神經元開始說起。

這種神經元簡稱OECN,全名有機電化學神經元(Organic ElectroChemical Neurons)。

它基於有機電化學電晶體(OECTs)製成,是研究團隊在2018年時開發的一種新型材料,使用絲網印刷和噴塗組合製成,可以在一張塑膠薄片上印刷成千上萬個。

它的特性就是高度的生物相容性,這使得這種電晶體制成的神經電路具有離子介導的尖峰機制,與生物系統的信號特徵非常相似。

將這些元件組合在一起,就能創建一個模擬神經元行為的微型電路:

也因此,人造神經元的運行機制類似於生物神經細胞。

在靜止狀態下,神經細胞的外側帶有多餘的正電荷,細胞內側帶有多餘的負電荷,同時,在膜電壓超過給定閾值時,生物神經元就能產生脈衝。

而人造神經元則通過向輸入端注入電流產生尖峰,實現一種類似的動作電位的傳導,還能調節電解質的離子濃度控制尖峰頻率。

將人造神經元與捕蠅草連接,根據神經元的放電頻率就能誘導其肺葉閉合:

加入突觸,形成神經網路

但單個神經元對於生物體來說是沒有意義的,研究團隊的一位科學家表示:

神經元和突觸一起構成了大腦的基石。

於是,團隊也製造了人工突觸OECSs,全稱有機電化學突觸(Organic ElectroChemical Synapses)。

突觸與神經元採用相同的結構製造,通過在通道中施加柵極電壓脈衝,使人工突觸導電性可以長期增加:

通過實驗,研究人員成功證明了製成的人工突觸進行了赫布學習(Hebbian theory):

即不再直接對神經元輸入興奮性電流,而是向突觸施加電壓,根據其突觸強度將其轉換為電流,從而調節尖峰頻率。

赫布學習是神經科學領域的一種理論,解釋了腦中的神經元在學習的過程中所發生的的變化,即:兩個神經元之間的連接強度會隨著活動的增加或減少。

神經元之間的連接強度控制著不同大腦回路的功能,這也是資訊編碼進入大腦的關鍵。

當然,也有不足。

我們大腦中的神經元之間的連接強度會根據活動而實時增強或減弱,但現在的人工突觸只能不斷增強,但不能減少。

如果這種神經元的連接強度不可逆,那也就無法形成有效的網路。

賽博朋克又一步

不過,在前往的複雜的人工製造的感覺和處理系統之前,這種研究至少點亮了第一步。

與捕蠅草連接併成功誘導的「閉合」動作,就證明了未來或許還能實現更加複雜的傳感器檢測,與生物系統進行集成,促進植入式設備的開發。

並且,這些人工神經元的電路是印刷在柔性基板上的,可以進行大規模的印刷,具有較高的製造產能。

軟體機器人、腦機接口,甚至賽博朋克中的人機結合,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家,博士畢業於北京大學,現是瑞典的林雪平大學科學與技術系的一名博士後。

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

參考連結:
[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/

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