“這種人工神經元的誕生,代表著學界向化學腦機接口邁出了重要一步。即基于化學語言的同模態通信,我們實現了人工神經元與活神經元的交互。對于基于神經遞質的神經假體和類腦芯片系統的開發,此次研究開辟了一條新途徑。”南京郵電大學化學與生命科學學院王婷表示。
圖 | 王婷(來源:王婷)
最近,王婷和合作者研發出一款人工神經元,其能模擬生物神經元,同時實現對多巴胺的靈敏檢測,還可以自適應地釋放多巴胺,爲真正實現與生物神經元之間的化學通訊開辟了新途徑。
審稿人認爲該工作首次實現了神經遞質的傳感與釋放,並表示:“通過這項技術,他們成功開發出了能接收和釋放神經遞質多巴胺的人工神經元,這是首次被實現。”
另據悉,新加坡南洋理工大學柔性器件創新中心主任陳曉東教授擔任論文通訊作者,他也是王婷從事博後期間的導師。結束博後研究後,王婷回國加入南京郵電大學。
充當“化學信橋”的人工神經元
據介紹,腦機接口(Brain-machine interface,BMI)是人腦/神經系統與外界電子設備信息交互的通道,是監測與解析腦部活動、治療神經疾病、構建智能假肢等技術領域的基石,目前已成爲“腦科學”的核心研究內容之一。
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元細胞受激後的膜電位變化。
然而在生物體內,神經元之間主要通過神經遞質(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、情緒調控等功能,均和神經遞質密切相關。
這意味著,當外部設備直接與神經元進行交互時,會存在信息模態不匹配的問題,類似于兩個系統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腦機接口的應用,特別是在精細解讀與神經遞質相關的智能信息方面,依然存在技術壁壘。
于是該團隊設想,是否可以開發一種人工神經元,讓它和神經元說同樣的化學語言?
溝通,意味著信息的雙向傳遞。即交互過程能直接感知化學信息,並能釋放化學信息。
同時,對于神經元來說,它還具備神經塑性,即它能根據刺激的強弱,來動態地調控連接的權重,這被認爲是人類智能行爲比如記憶、學習等的分子學基礎。那麽,爲了很好地和神經元互動,理想的人工神經元也應具備類似的自適應功能。
爲此,課題組開發出一種基于化學神經遞質介導的人工神經元,以實現腦機接口之間模態匹配的雙向交互。該人工神經元可以解讀神經遞質中的化學信息,並能自適應地定量釋放神經遞質(多巴胺)。
其由三部分構成,分別包括:多巴胺電化學傳感器、用于信號處理並模擬突觸可塑性的憶阻器、以及多巴胺釋放器。
圖 | 神經遞質介導的人工神經元的設計與構建(來源:Nature Electronics)
那麽,人工神經元的設計原理與工作原理分別是什麽?
王婷表示,得益于氧化石墨烯。及碳納米管優異的導電性,以石墨烯/碳納米管複合材料爲識別元件的多巴胺電化學傳感器,具有較高的靈敏度(419.9μA cm−2 mM−1)、較寬的檢測範圍(1.0μM – 1.5mM)、以及良好的穩定性和選擇性,可滿足檢測突觸間隙裏多巴胺濃度的需求。
而基于銀納米顆粒摻雜效應的阻變憶阻器,可同步實現大約毫秒的短期記憶、以及大于 104 秒長期記憶 (操作響應時間約 75 納秒 )。這意味著,其能爲系統自適應性提供一定基礎。
圖 | 人工神經元的設計與感釋功能(來源:Nature Electronics)
圖 | 人工神經元構建單元的設計與性能展示(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,再結合凝膠溫度敏感特性,即可實現多巴胺分子在 37.5 ~ 45℃ 溫度範圍內的自適應定量釋放。
在相關的化學信息流裏,主要遵循以下三個步驟:
其一,將多巴胺化學信號轉化爲電流信號;
其二,借助電流信號,對憶阻器的內阻狀態進行適應性的調制;
其三,利用焦耳熱效應,刺激器件釋放多巴胺化學信號,傳遞給臨近神經元,讓化學信息實現雙向交互。
圖 | 人工神經元與生物體活體神經元的交互(來源:Nature Electronics)
而在人工神經元與生物體活體神經元交互界面,這種由化學神經遞質介導的人工神經元,可以成功釋放多巴胺,並能刺激 PC12 細胞打開離子通道。
在生物混合的界面中,人工神經元可以充當“化學信橋”,將信息傳輸到 PC12 細胞,實現了類中間神經元的化學通訊。
爲了進一步驗證人工神經元、是否可以模仿人類運動神經元去控制肌肉收縮,研究團隊使用該人工神經元激活機器手和老鼠腿部。結果發現,當施加多巴胺刺激時,機器手被激活後會産生握手動作,並會觸發活鼠後肢彎曲。
圖 | 人工神經元與機械手的交互(來源:Nature Electronics)
近日,相關論文以《化學介導的人工神經元》(A chemically mediated artificial neuron)爲題發表在 Nature Electronics,王婷擔任第一作者。
圖 | 相關論文(來源:Nature Electronics)
王婷補充稱:“我們這種化學介導的神經元,旨在與神經元進行同模態的交互,審稿人評價了我們的工作爲‘該領域的重大進步’。”
終極目標:讓人工神經元網絡複刻生物系統
據悉,課題組最初産生此次設想是在 2017 年。而完整地實現這樣一個化學介導的神經元,一路走來並不容易,包括功能單元的選擇、單元之間的整合、集成系統的設計、生物界面的構造等。
其中涉及到多個學科,包括材料、化學、生物、電子、醫學等。非常幸運的是,王婷當時的導師陳曉東教授的課題組,有來自不同背景的博士和博後。
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。後續,人工神經元與活體神經元的交互驗證,也得到了南京醫科大學胡本慧教授的鼎立支持。”
跨學科的工作在一開始比較有難度,各學科的術語、大家的關注點都不同。好在王婷在博後期間基本都泡在實驗室,兩位一作面對面一起溝通和學習,基本沒有太多障礙。
剛開始做實驗時也曾遇到困難,由于系統運行對每個單元的穩定性和一致性的要求比較高,他們試了很多材料、以及不同的器件設計方案,最後終于得到相對穩定、且信號匹配的器件和系統。
另據悉,王婷博士畢業于中南大學,後到新加坡完成博後研究,其研究方向爲柔性界面上的生物傳感與智能擬態系統。
該論文共同第一作者王明,現任複旦大學青年研究員,是王婷在博後期間的同事。其畢業于中科院微電子所,先後在美國密歇根大學、華爲公司和新加坡南洋理工大學等機構學習和工作。研究方向爲憶阻新型存儲與計算、柔性智能感知系統。
圖 | 王明(來源:王明)
盡管王婷和王明都已結束在同一課題組的博後研究,並就職于不同單位。但是關于該成果的後續研究,仍將繼續推進。
目前在系統級性能上,人工神經元和自然神經元依然存在差距,包括響應時間、功耗和系統封裝。
因此,他們打算進一步提升人工神經元的各項性能。基于此建立一個化學介導的神經元網絡,從而完成複雜的情緒關聯活動。
其最終目標是,讓人工神經元網絡可以複刻生物系統,從而構建微型智能機器人、意識控制和神經形態計算。
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