科学家首次创造了类似于人类大脑的人工神经元芯片。该人工神经元不仅功能像生物神经元，而且只需要微处理器十亿分之一的功率，这使得它非常适合用于医疗植入物和其他生物电子设备。由巴斯大学领导的研究小组，在《自然通讯》上发表的一项研究描述该人工神经元芯片。该研究小组成员还包括来自布里斯托尔大学、苏黎世大学和奥克兰大学的研究人员。该人工神经元为开发治疗慢性疾病（比如心力衰竭、阿尔茨海默病和其他神经退化病）的医疗设备提供了巨大潜力。

世界首创的人工神经元芯片 有望用于治愈慢性疾病

数十年来，设计能像真实神经元一样，响应神经系统电信号的人工神经元一直是医学的主要研究方向之一。因为，当神经元无法正常工作时，人工神经元可以通过复制患病的生物电路，对生物反馈作出充分反应，从而恢复身体功能。

例如，当心力衰竭时，大脑底部的神经元无法对神经系统的反馈做出适当的响应，而无法向心脏发送正确的信号，导致心脏的跳动没有达到应有的强度。

然而，由于复杂的生物学和难以预测神经元反应，开发人工神经元一直是一个巨大的挑战。

该项研究成功地建立了模型并推导出方程，来解释神经元如何响应其他神经的电刺激。这是非常复杂的，因为响应是非线性的，换句话说，如果信号变得两倍强，它不一定会引起两倍大的响应。

世界首创的人工神经元芯片 有望用于治愈慢性疾病

人造神经元 图片来源于：巴斯大学

该研究设计了能够精确模拟生物离子通道的硅芯片，然后证了明人工神经元芯片能够精确地模拟真实神经元对各种刺激的反应。

研究人员精确地复制了大鼠海马神经元和呼吸神经元在大范围刺激下的完整动态。

巴斯大学物理系教授Alain Nogaret主持了该项研究。他说：“直到现在，神经元就像黑匣子，但我们已经成功地打开了黑匣子，看到了里面的东西。我们的工作正在发生范式转换，因为它提供了一种可靠的方法重现真实神经元的电学特性细节。

世界首创的人工神经元芯片 有望用于治愈慢性疾病

Alain Nogaret教授（左）和研究助理Kamal Abu Hassan（右）在巴斯大学的实验室里。资料来源：巴斯大学

“人工神经元芯片的应用很广泛，因为我们的人工神经元只需要140纳瓦的功率，这是微处理器的功率需求的十亿分之一，这使得神经元非常适合用于治疗慢性疾病的生物电子植入物。”

“例如，我们正在开发一种智能起搏器，它不仅能刺激心脏以稳定的速度跳动，还能利用这些神经元对心脏的需求做出实时反应，这是健康心脏的自然反应。”其他可能的应用包括治疗阿尔茨海默病和更广泛的神经退化性疾病。

“我们的方案有多项突破。第一，我们可以非常准确地估计出控制任何神经元行为的精确参数。第二，我们已经创建了硬件的物理模型，并证明它具备成功模拟真实的活神经元行为的能力。第三，我们模型具有多功能性，它允许包含不同类型的离子通道，可以用不同动力学描述复杂的哺乳动物神经元。”

苏黎世大学教授、本文的共同作者Giacomo Indiveri补充说：“由于其独特的识别关键模拟电路参数的方法，我们的工作为神经形态芯片设计开辟了新思路。”

另一位合著者，奥克兰大学和布里斯托大学生理学家Julian Paton教授说：“开发微型化、可植入的人工神经元芯片非常令人兴奋。它为智能医疗带来了机会，可推动针对多种疾病和残疾的个性化医学设备的开发 ”。

论文链接：Optimal solid state neurons, Nature Communications （2019）。 DOI: 10.1038/s41467-019-13177-3 , https://www.nature.com/articles/s41467-019-13177-3

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