人工神經元實現與活體細胞“對話互動” 助力破解腦機介面理解生物資訊難題

人工神經元模擬神經元的基本功能，能對微摩爾濃度的多巴胺分子實現精準感測，並能在相同的濃度範圍內釋放多巴胺，實現了類似神經元間的化學交流。其成功研發，標誌著人類在腦機介面研究方面的進一步突破。

王婷

南京郵電大學教授

揭秘大腦功能，解讀腦部訊號，不僅可為腦疾病提供診療依據，也能為研製類腦晶片提供思路。腦機介面是腦研究領域的熱點，它是人腦與外界電子裝置資訊互動的通道，也是監測與解析腦部活動、治療神經疾病、構建智慧假肢等技術領域的基石。

大腦的決策、情緒調控等功能與神經遞質密切相關。然而，絕大多數的腦機介面均依賴電訊號作為通訊媒介。這些腦機介面只能對電訊號或物理訊號做出反應，而不能直接與生物神經元連線，無法直接感知神經遞質。這樣的連線方式將不利於對大腦資訊進行完整和精確的解釋，特別是在解讀與神經遞質相關的複雜智慧行為上存在壁壘。

如何讓腦機介面與生物神經元“無縫對接”，從而更好實現資訊互動？近日，科技日報記者從南京郵電大學獲悉，該校教授汪聯輝和教授王婷的團隊與新加坡南洋理工大學教授陳曉東、南京醫科大學教授胡本慧合作開發了一種基於神經遞質雙向互動的人工神經元，構建了模態相容的腦機互動介面。相關成果近日發表於國際學術期刊《自然·電子學》。

透過人工神經元實現化學交流

神經元是大腦活動的最基本的單元，它們獨特的形狀和結構能快速傳遞神經系統訊號。神經元上的樹突是訊號輸入口，它們就像“天線”一樣，在接收到訊號後，引起神經元興奮，將訊號透過軸突傳遞給下一個神經元。

在生物體內，腦部神經元之間主要透過神經遞質分子，最終實現決策、記憶、情緒等智慧行為。

“腦機互動時，是透過腦部的電訊號來了解腦部神經元群體的行為，但神經元之間透過神經遞質進行互動。想要破解腦部的微觀資訊，瞭解人的情緒、記憶是如何編碼的，就需要‘破解’神經遞質的感知和釋放過程。”王婷告訴科技日報記者。

為做到這點，研究團隊開發了一種基於神經遞質雙向互動的人工神經元，它能夠接收和自適應地定量傳送神經遞質多巴胺分子到活神經元。

王婷介紹，這種人工神經元包括一個多巴胺分子感測器、一個用於訊號處理的憶阻器和一個多巴胺分子釋放器。人工神經元模擬神經元的基本功能，能對微摩爾濃度的多巴胺分子實現精準感測，並能在相同的濃度範圍內釋放多巴胺，實現了類似神經元間的化學交流。

“具體來說，在實驗中，當多巴胺在感測器上發生氧化反應後，感測器會採集到電流訊號，由此啟用憶阻器及分子釋放器。多巴胺不同的分子濃度對應不同的電流，分子濃度越高，電流就會越大。當電流高到一定程度後，釋放器中的水凝膠就會釋放多巴胺。”王婷說。

探索人工、活體神經元間通訊

在此次研究中，科研人員透過將人工神經元與小鼠類神經元細胞相連線，來測試人工神經元的交流能力。

他們發現，人工神經元能夠感知和響應由活體神經元細胞產生和傳送的多巴胺，並釋放自身的部分多巴胺。人工神經元釋放的多巴胺，隨後在活體神經元細胞中能夠產生反應。

研究者們透過多巴胺誘導產生的電刺激，促使機器人的手移動。同時，該電刺激也可以被用來刺激坐骨神經移動，從而引起小鼠的肌肉運動。這些結果表明，人工神經元成功地將神經遞質資訊傳遞給了進一步控制反饋的神經。

“在這項研究中，我們探索了一種人工神經元與活神經元基於化學語言的同模態通訊，希望能為基於神經遞質的神經假體和類腦晶片系統開闢出一條新途徑。”王婷表示。

儘管人工神經元的成功研發標誌著人類在腦機介面研究方面的進一步突破，但王婷坦言，就目前來說，人工神經元和活神經元在系統性能上仍然存在差距，例如如何讓感測器更快地感知生物分子、憶阻器如何降低功耗，能否開發出更微小的釋放器。

“未來，還需要來自材料、電子、生物、化學等領域的科研工作者共同努力來解決，以逐步降低系統的響應時間和功耗，最佳化系統封裝技術，並進一步提升系統在生物體中的穩定性。”王婷說。

談及未來的研究計劃，王婷表示，他們一方面將最佳化材料和器件結構，進一步縮短人工神經元系統性能與生物體之間的差距；另一方面，他們試圖建立一個化學介導的神經元網路，來完成複雜的情緒關聯活動。

“我們希望在未來能用人工神經元網路復刻生物系統，為構建微型智慧機器人，增強智慧感知等新型技術的迭代提供支撐。”王婷說。