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巴斯大学的研究团队研发出世界首个用于治疗慢性病的仿生神经元芯片

研究人员首次成功将生物神经元的电学特性复制到硅芯片

University of Bath

科学家们突破性地在硅芯片上开发出仿生神经元,功能与生物神经元几乎完全相同。该项技术可应用于医疗设备,前景广阔,为治疗包括心力衰竭、阿尔茨海默病以及其他神经退行性疾病等慢性病提供了巨大可能。

仿生神经元芯片不单能够再现生物神经元的电行为,更重要的是,它只需要一台微处理器十亿分之一的功率,因此十分适用于医疗植入物和其他电子生物设备。

由巴斯大学领衔的研究团队——成员包括来自布里斯托大学、苏黎世大学和奥克兰大学的研究人员,在《自然·通讯(Nature Communications)》杂志上发表了研究成果,对该人工神经元进行了描述。

几十年来,医学界一直致力于研发仿生神经元,这种神经元能够像生物神经元一样,对神经系统里的电信号作出反应。利用这项技术,科学家有望能够修复功能异常的神经元。仿生神经元能够复制健康神经元的功能,对神经系统里的电信号作出反应,从而修复因病导致功能异常的生物电路。

例如,如果大脑下方的神经元无法对神经系统的反馈作出适当反应,那么心脏就无法正常收缩和舒张,最终造成心力衰竭。

但由于生物体的复杂性,以及难以预测神经元对神经系统刺激信号的反应,研发仿生神经元一直困难重重。

目前研究人员已成功建模并推导出方程,解释神经元如何对神经系统刺激信号作出反应。神经元的反应是“非线性”的,因此整个过程十分复杂。换言之,如果电信号增强了两倍,不一定会产生两倍的反应,可能会引起四倍的反应,或者完全不一样的反应。

科学家们设计了一种硅芯片,能够精准模仿生物离子通道。研究人员后来证实,该芯片能够准确模仿生物神经元,对一系列原始神经刺激做出响应。

研究人员通过一系列神经刺激,完整再现大鼠海马神经元和呼吸神经元的活动。

巴斯大学的阿兰·诺加雷特(Alain Nogaret)教授认为:“尽管神经元目前依旧像个黑匣子,但我们打开了这个黑匣子,看到了里面的情况,并且能够采取更加可靠的手段,再现神经元电属性的每个细节,因此目前的研究正发生着巨大转变。

“但远不止于此。我们研发的仿生神经元的功率仅有140纳瓦,是其他合成神经元所采用的微处理器功率的十亿分之一。这个特性使得仿生神经元适合用作电子生物植入物,用于慢性病治疗。

“例如,我们正在开发一种智能心脏起搏器,它不但能刺激心脏稳定地收缩舒张,更能够模仿健康的心脏,在紧急情况下利用这些神经元做出及时反应。同时,这项技术也可应用于阿尔兹海默病以及其他神经退行性疾病的治疗。

“我们的研究方法在许多方面都有所突破。首先,我们能够精确估算神经元反应的参数;其次,我们成功创建了硬件物理模型,且证实它能够准确模仿生物神经元;第三,我们的模型具有多功能性,能够模仿不同类型、不同功能的复杂哺乳动物神经元。”

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该研究由“欧盟地平线2020计划之未来和新兴技术项目”(European Union Horizon 2020 Future Emerging Technologies Programme)和“英国工程和自然科学研究委员会”(the Engineering and Physical Sciences Research Council)博士生奖学金共同资助。

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