video: Professor Alain Nogaret describes why the artificial neurons developed at University of Bath have such potential to treat a range of diseases including heart failure. view more
Credit: University of Bath
科学家们突破性地在硅芯片上开发出仿生神经元，功能与生物神经元几乎完全相同。该项技术可应用于医疗设备，前景广阔，为治疗包括心力衰竭、阿尔茨海默病以及其他神经退行性疾病等慢性病提供了巨大可能。
仿生神经元芯片不单能够再现生物神经元的电行为，更重要的是，它只需要一台微处理器十亿分之一的功率，因此十分适用于医疗植入物和其他电子生物设备。
由巴斯大学领衔的研究团队——成员包括来自布里斯托大学、苏黎世大学和奥克兰大学的研究人员，在《自然·通讯（Nature Communications）》杂志上发表了研究成果，对该人工神经元进行了描述。
几十年来，医学界一直致力于研发仿生神经元，这种神经元能够像生物神经元一样，对神经系统里的电信号作出反应。利用这项技术，科学家有望能够修复功能异常的神经元。仿生神经元能够复制健康神经元的功能，对神经系统里的电信号作出反应，从而修复因病导致功能异常的生物电路。
例如，如果大脑下方的神经元无法对神经系统的反馈作出适当反应，那么心脏就无法正常收缩和舒张，最终造成心力衰竭。
但由于生物体的复杂性，以及难以预测神经元对神经系统刺激信号的反应，研发仿生神经元一直困难重重。
目前研究人员已成功建模并推导出方程，解释神经元如何对神经系统刺激信号作出反应。神经元的反应是“非线性”的，因此整个过程十分复杂。换言之，如果电信号增强了两倍，不一定会产生两倍的反应，可能会引起四倍的反应，或者完全不一样的反应。
科学家们设计了一种硅芯片，能够精准模仿生物离子通道。研究人员后来证实，该芯片能够准确模仿生物神经元，对一系列原始神经刺激做出响应。
研究人员通过一系列神经刺激，完整再现大鼠海马神经元和呼吸神经元的活动。
巴斯大学的阿兰·诺加雷特（Alain Nogaret）教授认为：“尽管神经元目前依旧像个黑匣子，但我们打开了这个黑匣子，看到了里面的情况，并且能够采取更加可靠的手段，再现神经元电属性的每个细节，因此目前的研究正发生着巨大转变。
“但远不止于此。我们研发的仿生神经元的功率仅有140纳瓦，是其他合成神经元所采用的微处理器功率的十亿分之一。这个特性使得仿生神经元适合用作电子生物植入物，用于慢性病治疗。
“例如，我们正在开发一种智能心脏起搏器，它不但能刺激心脏稳定地收缩舒张，更能够模仿健康的心脏，在紧急情况下利用这些神经元做出及时反应。同时，这项技术也可应用于阿尔兹海默病以及其他神经退行性疾病的治疗。
“我们的研究方法在许多方面都有所突破。首先，我们能够精确估算神经元反应的参数；其次，我们成功创建了硬件物理模型，且证实它能够准确模仿生物神经元；第三，我们的模型具有多功能性，能够模仿不同类型、不同功能的复杂哺乳动物神经元。”
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该研究由“欧盟地平线2020计划之未来和新兴技术项目”（European Union Horizon 2020 Future Emerging Technologies Programme）和“英国工程和自然科学研究委员会”（the Engineering and Physical Sciences Research Council）博士生奖学金共同资助。
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Journal
Nature Communications