人工神经元实现与活细胞直接通信技术突破

人工神经元首次实现与活细胞直接对话

细菌纳米线使忆阻器能够在细胞电压下工作

生物与电子信号的桥梁

Geobacter sulfurreducens 细菌最初从俄克拉荷马州诺曼市一条沟渠的泥土中分离出来。如今，这些非凡的微生物成为了首个能够直接与活细胞相互作用的人工神经元的关键。

某机构阿默斯特分校的研究人员利用这些微生物通过微小的蛋白质线进行通信的特性，收集这些线材制造人工神经元。研究人员表示，这些神经元首次能够在没有中间设备放大或调制信号的情况下处理来自活细胞的信息。

突破性技术原理

某机构阿默斯特分校从事生物电子和纳米电子研究的专家解释说，虽然一些人工神经元已经存在，但它们需要电子放大来感知我们身体产生的信号。这种放大既增加了功耗又增加了电路复杂性，与大脑的高效率背道而驰。

该团队创建的神经元能够理解自然幅度约为0.1伏特的体内信号。某机构的生物物理学家表示，这项工作"弥合了电子和生物信号之间长期存在的差距"，并展示了人工神经元与活细胞之间"前所未有的"相互作用。

生物与人工神经元的工作原理

生物神经元是大脑的基本构建模块。如果外部刺激足够强，电荷会在神经元中积累，触发动作电位——一种电压尖峰，沿着神经元体传播，实现包括情绪和运动在内的所有身体功能。

几十年来，科学家们一直在努力设计合成神经元，追求人类大脑的效率，这迄今为止似乎超出了电子设备的能力范围。

创新技术架构

该团队设计了新的人工神经元，模仿生物神经元感知和响应电信号的方式。他们使用传感器监测外部生化变化，并使用忆阻器（本质上是有记忆的电阻器）来模拟动作电位过程。

随着外部生化事件产生的电压增加，离子积累并开始跨越忆阻器中的间隙形成细丝——在这个案例中，间隙填充了蛋白质纳米线。如果有足够的电压，细丝完全桥接间隙。电流穿过设备，然后细丝溶解，分散离子并停止电流。整个过程模仿了神经元的动作电位。

实验验证

团队通过将人工神经元连接到心脏组织来测试这些设备。设备测量了细胞收缩的基线量，这没有产生足够的信号导致人工神经元放电。然后研究人员在组织用去甲肾上腺素（一种增加细胞收缩频率的药物）处理后进行了另一次测量。人工神经元仅在药物处理试验中触发了动作电位，证明它们能够检测活细胞的变化。

天然纳米线的关键作用

该团队要感谢 Geobacter sulfurreducens 带来的突破。这些微生物合成称为蛋白质纳米线的微型电缆，用于种内通信。这些电缆是电荷导体，在野外能够长时间存活而不衰减。它们极其稳定，即使对于设备制造也是如此，专家表示。

对工程师来说，纳米线最显著的特性是离子沿着它们移动的效率。纳米线提供了在人类细胞和人工神经元之间传输电荷的低能量手段，从而避免了需要单独的放大器或调制器。"令人惊讶的是，这种材料就是为此设计的，"专家说。

能效突破

这种效率使人工神经元能够实现巨大的节能。该团队将薄膜集成到神经元核心的忆阻器中，降低了导致忆阻器响应传感器识别信号的反应的能量障碍。研究人员表示，通过这一创新，人工神经元使用的电压是其他设计的十分之一，功耗是百分之一。

某机构的专家认为这种"极其令人印象深刻"的能效"对于未来低功耗、可植入和生物集成计算系统至关重要"。

应用前景

研究人员表示，功率优势使这种合成神经元设计对各种应用都具有吸引力。响应式可穿戴电子产品，如适应身体刺激的假肢，可以利用这些新的人工神经元。最终，依赖这些神经元的可植入系统可以"像活组织一样学习，推进个性化医疗和脑启发计算"，以"解释生理状态，形成将电子学与活智力融合的生物混合网络"。

人工神经元在生物医学领域之外的电子学中也可能有用。芯片上的数百万个人工神经元可以替代晶体管，完成相同的任务同时降低功耗。这些神经元的制造过程不涉及高温，并利用了与硅芯片制造商相同类型的光刻技术。

规模化挑战

然而，专家确实指出了生产者在为电子设备扩大这些人工神经元规模时可能面临的两个潜在瓶颈。第一个是从 Geobacter sulfurreducens 获取更多蛋白质纳米线。他的实验室目前工作三天只能产生100微克材料——大约相当于一粒食盐的质量。这个数量只能覆盖一个非常小的设备，因此专家质疑这一步骤如何能够扩大规模用于生产。

他的另一个担忧是如何在硅片尺度上实现均匀的薄膜涂层。"如果你想制造高密度的小型设备，薄膜厚度的均匀性实际上是一个关键参数，"他解释说。但是他的团队开发的人工神经元目前太小，无法进行任何有意义的均匀性测试。

专家不期望人工神经元在传统计算中取代硅晶体管，而是将它们视为"融合生物适应性和电子精度的混合芯片"的平行产品。

环境友好特性

在遥远的未来，专家希望这种生物来源的设备也会因为不贡献电子垃圾而受到赞赏。当用户不再需要设备时，他们可以简单地将生物组件倾倒在周围环境中，因为它不会造成环境危害。"通过使用这种自然衍生的微生物材料，我们可以创造更环保的技术，对世界更可持续，"专家说。