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人造神经元成功操纵植物,让捕蝇草强行闭合丨Nature子刊

每日一问:机械义肢什么时候普及?

二次元中里常用的解决方法是将神经与硬件设备(包括各种电缆)相连,以达到控制的目的,当然了,我们现在的科技水平还做不到。于是有人就提出,能不能通过传感器感知特定的场景来自动的完成相应的动作,也就是“让义肢它自己的想法”?你别说,这个真可以有。人造一个神经元[/b],直接让捕蝇草遭四周空无一虫的时候也能闭合:

对,你没听错,人造了一个神经元。将捕蝇草的生物细胞与这个特殊的神经元相连[/b],就能模拟大脑处理和传递信息,向捕蝇草的叶片“强加”一个“意识”。(人造神经元:你自闭吧!捕蝇草:好的)

还不仅如此,进行实验的科学家还配合制作了神经突触,两者连接,就相当于人造了一个局部的神经突触系统。能够进行赫布学习,具有短期可塑性[/b]的那种。这个“人造神经系统”来自一篇近期发表在Nature子刊Nature Communications上的论文,华人共同一作。作者在论文中还表示,这种人工制造的局部神经系统定义了一个新的前景:未来,这一人工系统或许能与植物、无脊椎动物和脊椎动物的生物信号系统(如中枢神经系统)进行连接或更复杂的整合。啊这,更复杂是指……

△《攻壳机动队》中外化的机械人脑“印刷喷涂”而成的人工神经元先从人造神经元开始说起。这种神经元简称OECN[/b],全名有机电化学神经元(Organic ElectroChemical Neurons)。它基于有机电化学晶体管(OECTs)制成,是研究团队在2018年时开发的一种新型材料,使用丝网印刷和喷涂组合制成,可以在一张塑料薄片上印刷成千上万个。它的特性就是高度的生物相容性[/b],这使得这种晶体管制成的神经电路具有离子介导的尖峰机制[/b],与生物系统的信号特征非常相似。

将这些元件组合在一起,就能创建一个模拟神经元行为的微型电路:

也因此,人造神经元的运行机制类似于生物神经细胞。在静止状态下,神经细胞的外侧带有多余的正电荷,细胞内侧带有多余的负电荷,同时,在膜电压超过给定阈值时,生物神经元就能产生脉冲。而人造神经元则通过向输入端注入电流产生尖峰,实现一种类似的动作电位的传导,还能调节电解质的离子浓度控制尖峰频率。将人造神经元与捕蝇草连接,根据神经元的放电频率就能诱导其肺叶闭合:

加入突触,形成神经网络但单个神经元对于生物体来说是没有意义的,研究团队的一位科学家表示:神经元和突触一起构成了大脑的基石。于是,团队也制造了人工突触OECSs[/b],全称有机电化学突触(Organic ElectroChemical Synapses)。突触与神经元采用相同的结构制造,通过在通道中施加栅极电压脉冲,使人工突触导电性可以长期增加:

通过实验,研究人员成功证明了制成的人工突触进行了赫布学习(Hebbian theory):即不再直接对神经元输入兴奋性电流,而是向突触施加电压,根据其突触强度将其转换为电流,从而调节尖峰频率。赫布学习是神经科学领域的一种理论,解释了脑中的神经元在学习的过程中所发生的的变化,即:两个神经元之间的连接强度会随着活动的增加或减少。

神经元之间的连接强度控制着不同大脑回路的功能,这也是信息编码进入大脑的关键。当然,也有不足。我们大脑中的神经元之间的连接强度会根据活动而实时增强或减弱,但现在的人工突触只能不断增强[/b],但不能减少。如果这种神经元的连接强度不可逆,那也就无法形成有效的网络。赛博朋克又一步不过,在前往的复杂的人工制造的感觉和处理系统之前,这种研究至少点亮了第一步。与捕蝇草连接并成功诱导的“闭合”动作,就证明了未来或许还能实现更加复杂的传感器检测,与生物系统进行集成,促进植入式设备的开发。并且,这些人工神经元的电路是印刷在柔性基板上的,可以进行大规模的印刷,具有较高的制造产能。软体机器人、脑机接口,甚至赛博朋克中的人机结合,都是可想象的未来。

论文有两位共同一作Padinhare Cholakkal Harikesh和Chi-Yuan Yang。其中Chi-Yuan Yang为来自北京的华人科学家,博士毕业于北京大学,现是瑞典的林雪平大学科学与技术系的一名博士后。

论文:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6参考链接:[1]https://futurism.com/the-byte/scientists-control-venus-flytrap-with-implanted-computer-brain[2]https://singularityhub.com/2022/02/25/scientists-created-an-artificial-neuron-that-can-make-a-venus-flytrap-snap/


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