“這種人工神經(jīng)元的誕生，代表著學(xué)界向化學(xué)腦機接口邁出了重要一步。即基于化學(xué)語言的同模態(tài)通信，我們實現(xiàn)了人工神經(jīng)元與活神經(jīng)元的交互。對于基于神經(jīng)遞質(zhì)的神經(jīng)假體和類腦芯片系統(tǒng)的開發(fā)，此次研究開辟了一條新途徑。”南京郵電大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院王婷表示。

圖 | 王婷（來源：王婷）

最近，王婷和合作者研發(fā)出一款人工神經(jīng)元，其能模擬生物神經(jīng)元，同時實現(xiàn)對多巴胺的靈敏檢測，還可以自適應(yīng)地釋放多巴胺，為真正實現(xiàn)與生物神經(jīng)元之間的化學(xué)通訊開辟了新途徑。

審稿人認為該工作首次實現(xiàn)了神經(jīng)遞質(zhì)的傳感與釋放，并表示：“通過這項技術(shù)，他們成功開發(fā)出了能接收和釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的人工神經(jīng)元，這是首次被實現(xiàn)?！?/span>

另據(jù)悉，新加坡南洋理工大學(xué)柔性器件創(chuàng)新中心主任陳曉東教授擔任論文通訊作者，他也是王婷從事博后期間的導(dǎo)師。結(jié)束博后研究后，王婷回國加入南京郵電大學(xué)。

充當“化學(xué)信橋”的人工神經(jīng)元

據(jù)介紹，腦機接口（Brain-machine interface，BMI）是人腦/神經(jīng)系統(tǒng)與外界電子設(shè)備信息交互的通道，是監(jiān)測與解析腦部活動、治療神經(jīng)疾病、構(gòu)建智能假肢等技術(shù)領(lǐng)域的基石，目前已成為“腦科學(xué)”的核心研究內(nèi)容之一。

當下，腦機接口主要依賴于電信號來解讀腦部信號，這類電生理信號來源于神經(jīng)元細胞受激后的膜電位變化。

然而在生物體內(nèi)，神經(jīng)元之間主要通過神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺、乙酰膽堿等）進行信息交流與傳遞。人類的大腦決策、情緒調(diào)控等功能，均和神經(jīng)遞質(zhì)密切相關(guān)。

這意味著，當外部設(shè)備直接與神經(jīng)元進行交互時，會存在信息模態(tài)不匹配的問題，類似于兩個系統(tǒng)中的語言種類是不通的。

因此，這限制了基于電生理信號的傳統(tǒng)腦機接口的應(yīng)用，特別是在精細解讀與神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的智能信息方面，依然存在技術(shù)壁壘。

于是該團隊設(shè)想，是否可以開發(fā)一種人工神經(jīng)元，讓它和神經(jīng)元說同樣的化學(xué)語言？

溝通，意味著信息的雙向傳遞。即交互過程能直接感知化學(xué)信息，并能釋放化學(xué)信息。

同時，對于神經(jīng)元來說，它還具備神經(jīng)塑性，即它能根據(jù)刺激的強弱，來動態(tài)地調(diào)控連接的權(quán)重，這被認為是人類智能行為比如記憶、學(xué)習(xí)等的分子學(xué)基礎(chǔ)。那么，為了很好地和神經(jīng)元互動，理想的人工神經(jīng)元也應(yīng)具備類似的自適應(yīng)功能。

為此，課題組開發(fā)出一種基于化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的人工神經(jīng)元，以實現(xiàn)腦機接口之間模態(tài)匹配的雙向交互。該人工神經(jīng)元可以解讀神經(jīng)遞質(zhì)中的化學(xué)信息，并能自適應(yīng)地定量釋放神經(jīng)遞質(zhì)（多巴胺）。

其由三部分構(gòu)成，分別包括：多巴胺電化學(xué)傳感器、用于信號處理并模擬突觸可塑性的憶阻器、以及多巴胺釋放器。

圖 | 神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的人工神經(jīng)元的設(shè)計與構(gòu)建（來源：Nature Electronics）

那么，人工神經(jīng)元的設(shè)計原理與工作原理分別是什么？

王婷表示，得益于氧化石墨烯。及碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性，以石墨烯/碳納米管復(fù)合材料為識別元件的多巴胺電化學(xué)傳感器，具有較高的靈敏度（419.9μA cm?2 mM?1）、較寬的檢測范圍（1.0μM – 1.5mM）、以及良好的穩(wěn)定性和選擇性，可滿足檢測突觸間隙里多巴胺濃度的需求。

而基于銀納米顆粒摻雜效應(yīng)的阻變憶阻器，可同步實現(xiàn)大約毫秒的短期記憶、以及大于 104 秒長期記憶 （操作響應(yīng)時間約 75 納秒 ）。這意味著，其能為系統(tǒng)自適應(yīng)性提供一定基礎(chǔ)。

圖 | 人工神經(jīng)元的設(shè)計與感釋功能（來源：Nature Electronics）

圖 | 人工神經(jīng)元構(gòu)建單元的設(shè)計與性能展示（來源：Nature Electronics）

同時，借助憶阻器電流輸出控制的水凝膠致動，多巴胺分子釋放器可以利用焦耳熱效應(yīng)，再結(jié)合凝膠溫度敏感特性，即可實現(xiàn)多巴胺分子在 37.5 ~ 45℃ 溫度范圍內(nèi)的自適應(yīng)定量釋放。

在相關(guān)的化學(xué)信息流里，主要遵循以下三個步驟：

其一，將多巴胺化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電流信號；

其二，借助電流信號，對憶阻器的內(nèi)阻狀態(tài)進行適應(yīng)性的調(diào)制；

其三，利用焦耳熱效應(yīng)，刺激器件釋放多巴胺化學(xué)信號，傳遞給臨近神經(jīng)元，讓化學(xué)信息實現(xiàn)雙向交互。

圖 | 人工神經(jīng)元與生物體活體神經(jīng)元的交互（來源：Nature Electronics）

而在人工神經(jīng)元與生物體活體神經(jīng)元交互界面，這種由化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的人工神經(jīng)元，可以成功釋放多巴胺，并能刺激 PC12 細胞打開離子通道。

在生物混合的界面中，人工神經(jīng)元可以充當“化學(xué)信橋”，將信息傳輸?shù)?PC12 細胞，實現(xiàn)了類中間神經(jīng)元的化學(xué)通訊。

為了進一步驗證人工神經(jīng)元、是否可以模仿人類運動神經(jīng)元去控制肌肉收縮，研究團隊使用該人工神經(jīng)元激活機器手和老鼠腿部。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當施加多巴胺刺激時，機器手被激活后會產(chǎn)生握手動作，并會觸發(fā)活鼠后肢彎曲。

圖 | 人工神經(jīng)元與機械手的交互（來源：Nature Electronics）

近日，相關(guān)論文以《化學(xué)介導(dǎo)的人工神經(jīng)元》（A chemically mediated artificial neuron）為題發(fā)表在 Nature Electronics，王婷擔任第一作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）

王婷補充稱：“我們這種化學(xué)介導(dǎo)的神經(jīng)元，旨在與神經(jīng)元進行同模態(tài)的交互，審稿人評價了我們的工作為‘該領(lǐng)域的重大進步’。”

終極目標：讓人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)復(fù)刻生物系統(tǒng)

據(jù)悉，課題組最初產(chǎn)生此次設(shè)想是在 2017 年。而完整地實現(xiàn)這樣一個化學(xué)介導(dǎo)的神經(jīng)元，一路走來并不容易，包括功能單元的選擇、單元之間的整合、集成系統(tǒng)的設(shè)計、生物界面的構(gòu)造等。

其中涉及到多個學(xué)科，包括材料、化學(xué)、生物、電子、醫(yī)學(xué)等。非常幸運的是，王婷當時的導(dǎo)師陳曉東教授的課題組，有來自不同背景的博士和博后。

王婷說：“陳老師一直非常鼓勵大家合作交流，我主要研究柔性生物傳感，擔任此次論文共同一作的王明老師主要研究憶阻新型存儲與計算。于是我們開始著手合作此次工作。后續(xù)，人工神經(jīng)元與活體神經(jīng)元的交互驗證，也得到了南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧教授的鼎立支持?！?/span>

跨學(xué)科的工作在一開始比較有難度，各學(xué)科的術(shù)語、大家的關(guān)注點都不同。好在王婷在博后期間基本都泡在實驗室，兩位一作面對面一起溝通和學(xué)習(xí)，基本沒有太多障礙。

剛開始做實驗時也曾遇到困難，由于系統(tǒng)運行對每個單元的穩(wěn)定性和一致性的要求比較高，他們試了很多材料、以及不同的器件設(shè)計方案，最后終于得到相對穩(wěn)定、且信號匹配的器件和系統(tǒng)。

另據(jù)悉，王婷博士畢業(yè)于中南大學(xué)，后到新加坡完成博后研究，其研究方向為柔性界面上的生物傳感與智能擬態(tài)系統(tǒng)。

該論文共同第一作者王明，現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)青年研究員，是王婷在博后期間的同事。其畢業(yè)于中科院微電子所，先后在美國密歇根大學(xué)、華為公司和新加坡南洋理工大學(xué)等機構(gòu)學(xué)習(xí)和工作。研究方向為憶阻新型存儲與計算、柔性智能感知系統(tǒng)。

圖 | 王明（來源：王明）

盡管王婷和王明都已結(jié)束在同一課題組的博后研究，并就職于不同單位。但是關(guān)于該成果的后續(xù)研究，仍將繼續(xù)推進。

目前在系統(tǒng)級性能上，人工神經(jīng)元和自然神經(jīng)元依然存在差距，包括響應(yīng)時間、功耗和系統(tǒng)封裝。

因此，他們打算進一步提升人工神經(jīng)元的各項性能。基于此建立一個化學(xué)介導(dǎo)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，從而完成復(fù)雜的情緒關(guān)聯(lián)活動。

其最終目標是，讓人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)刻生物系統(tǒng)，從而構(gòu)建微型智能機器人、意識控制和神經(jīng)形態(tài)計算。

參考資料：

1.Wang, T., Wang, M., Wang, J. et al. A chemically mediated artificial neuron. Nat Electron (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00803-0