研究人员创造了一种可以与神经元样细胞整合并相互作用的设备。这可能是迈向在脑机接口中使用人工突触的第一步。2017年，斯坦福大学的研究人员提出了一种新设备，该设备可以模仿大脑的高效和低能量的神经学习过程。这是人工合成的突触，由有机材料制成，是神经递质穿越神经元之间进行交流的间隙。

在2019年，研究人员将九个人工突触排列成阵列，显示可以同时编程以模仿大脑的平行操作。

材料科学与工程学副教授Alberto Salleo和研究生Scott Scott于2017年拍摄的照片描述了以前的人工突触设计的电化学特性。他们最新的人工突触是一种与活细胞整合的生物杂交装置。图片来源：斯坦福大学LA Cicero

现在，在《自然材料》上发表的 一篇论文中，他们已经测试了其人工突触的第一个生物杂交版本，并证明了它可以与活细胞进行通讯。这种设备产生的未来技术可以通过直接响应来自大脑的化学信号来发挥作用。这项研究是与位于意大利那不勒斯的意大利理工学院(IITituto Italiano di Tecnologia)和荷兰的埃因霍温科技大学的研究人员合作进行的。

斯坦福大学材料科学与工程学教授，该论文的共同资深作者阿尔贝托·萨莱奥(Alberto Salleo)表示：“本文确实突出了我们用于与生物相​​互作用的材料的独特优势 。” “细胞很高兴坐在柔软的聚合物上。但是兼容性更深了：这些材料可以与神经元自然使用的相同分子协同工作。”

虽然其他与大脑集成的设备需要电信号来检测和处理大脑的信息，但该设备与活细胞之间的通信是通过电化学进行的，就好像该材料只是从邻居那里接收信息的另一个神经元一样。

神经元如何学习

生物混合人工突触由两个柔软的聚合物电极组成，两个电极之间被充满电解质溶液的沟槽分隔开，该沟槽起着突触间隙的作用，该间隙分隔了大脑中交流的神经元。当活细胞放在一个电极的顶部时，那些细胞释放的神经递质可以与该电极反应产生离子。这些离子穿过沟槽到达第二电极，并调节该电极的导电状态。这些变化中的一些被保留下来，模拟了自然界中发生的学习过程。

“在生物突触中，基本上所有事物都由突触连接处的化学相互作用控制。斯坦福大学的研究生，该论文的共同主要作者斯科特·基恩(Scott Keene)说，每当细胞彼此交流时，它们就使用化学反应。“能够与大脑的自然化学相互作用，为该设备增加了实用性。”

这个过程模仿了生物突触中的相同学习，这种学习在能量方面非常高效，因为计算和内存存储只发生在一个动作中。在更传统的计算机系统中，首先处理数据，然后再将其移动到存储中。

为了测试他们的设备，研究人员使用了能释放神经递质多巴胺的大鼠神经内分泌细胞。在进行实验之前，他们不确定多巴胺将如何与材料发生相互作用-但在第一次反应后，他们发现装置的状态发生了永久性变化。

Keene说：“我们知道反应是不可逆的，因此可以永久改变设备的导电状态，这是有道理的。” “但是，直到我们看到它在实验室中出现之前，很难知道我们是否会达到我们在纸上预测的结果。那是当我们意识到模仿突触的长期学习过程所具有的潜力。”

第一步

这种生物杂交设计尚处于早期阶段，以至于当前研究的主要重点只是使其发挥作用。

Salleo说：“这证明了将化学和电融为一体的交流是可能的。” “您可以说这是迈向脑机接口的第一步，但这只是很小而很小的第一步。”

现在，研究人员已经成功测试了他们的设计，他们正在寻找未来研究的最佳途径，其中可能包括在脑启发计算机，脑机接口，医疗设备或神经科学新研究工具上的工作。他们已经在研究如何使该设备在包含各种细胞和神经递质的更复杂的生物环境中发挥更好的功能。

标签： 神经元样细胞整合