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世界首创人工神经元!Nature最新研究掀范式革命,可用于治疗多种疾病

新智元报道

来源:techxplore

编辑:向学

【新智元导读】科学家们首次发明与真实生物神经元表现得很像的硅芯片人工神经元,这为治疗慢性疾病(如心力衰竭、阿尔茨海默氏病和其他神经退行性疾病)的医疗仪器开发提供了广阔的前景。你怎么看?来新智元AI朋友圈 和AI大咖们一起讨论吧。

近期,科学家们发明了不仅表现得像生物神经元的人工神经元,而且该人工神经元还仅需要微处理器的十亿分之一的功率,因此非常适合用于医疗植入物和其他生物电子仪器。

该研究小组是由巴斯大学(University of Bath)领导的,研究成员来自布里斯托大学(University of Bristol)、苏黎世大学(University of Zurich)与奥克兰大学(The University of Auckland),该项研究发表在《Nature Communications》上。

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13177-3

数十年来,设计像真实神经元那样响应神经系统电信号的人工神经元一直是医学的主要目标,因为这会为治疗神经元无法正常工作、突起在脊椎损伤中严重受损或死亡等情况创造可能。人工神经元可以通过仿制生物回路的健康功能与充分响应生物反馈,来修复病变的生物回路,从而恢复身体功能。例如在心力衰竭中,大脑底部的神经元无法对神经系统的反馈做出适当响应,也就无法向心脏发送正确信号,从而使心脏无法像应有的那样强烈跳动。

然而,由于生物学的复杂性和神经元反应的难以预测,这使得开发人工神经元一直以来都是一个巨大的挑战。

研究人员成功建模和推导了方程,以解释神经元是如何响应其他神经的电刺激。这非常复杂,因为响应是“非线性的”:比如信号强度变成2倍,引起的反应却不一定是2倍,可能是3倍或者其他数值。

他们后来设计了能够对生物离子通道进行精确建模的硅芯片,并证明其硅神经元能精确地模仿对各种刺激做出反应的真实、活着的神经元。

研究人员在广泛的刺激下准确地仿制了大鼠海马神经元和呼吸神经元的完整动力学。

巴斯大学物理系的Alain Nogaret教授领导了该项目。他说:“直到现在,神经元一直像黑匣子一样,但我们已经在设法打开黑匣子并窥视其内部。我们的工作是范式改变,因为它提供了一种可靠的方法来精确再现真实神经元的电特性。

Professor Alain Nogaret教授(左)与Kamal Abu Hassan 研究员(右)

“但它比这更为广泛,因为我们的神经元只需要140纳瓦的功率;这是微处理器功率需求(其他尝试合成神经元的使用功率)的十亿分之一,这使得我们的神经元非常适合用于生物电子植入物来治疗慢性疾病。

“例如我们正在开发智能起搏器,它们不仅可以刺激心脏以稳定的速度泵动,而且可以利用这些神经元实时响应心脏的需求,而这正是健康心脏的自然反应。它还可能更广泛地被应用于治疗阿尔茨海默氏病和神经退行性疾病。

“我们的方法结合了多项突破:1.可以非常准确地估计出控制任何神经元行为的精确参数;2.创建了硬件的物理模型,并展示了其成功模仿真实活着的神经元行为的能力;3.模型的多功能性,可以包含一系列复杂的哺乳动物神经元的不同类型和功能。”

共同研究者Giacomo Indiveri教授补充说:“由于其识别关键模拟电路参数的独特方法,这项工作为神经形态芯片设计开辟了新领域。”

另一位合作者,生理学家Julian Paton教授说:“仿制可小型化和植入的生物电子学中呼吸神经元的反应非常令人兴奋,这为智能医疗仪器开辟了巨大的机会,这会推动针对多种疾病和残疾的个性化医学方法。”

参考资料:

https://techxplore.com/news/2019-12-world-artificial-neurons-chronic-diseases.html

本文分享自微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-12-06

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