人造神經元成功操縱植物讓捕蠅草強行閉合

2022-03-13 Comments 0 Comment

二次元中里常用的解決方法是將神經與硬件設備（包括各種電纜）相連，以達到控制的目的，當然了，我們現在的科技水平還做不到。於是有人就提出，能不能通過傳感器感知特定的場景來自動的完成相應的動作，也就是“讓義肢它自己的想法”？你別說，這個真可以有。人造一個神經元，直接讓捕蠅草遭四周空無一蟲的時候也能閉合：

對，你沒聽錯，人造了一個神經元。將捕蠅草的生物細胞與這個特殊的神經元相連，就能模擬大腦處理和傳遞信息，向捕蠅草的葉片“強加”一個“意識”。

（人造神經元：你自閉吧！捕蠅草：好的）

還不僅如此，進行實驗的科學家還配合製作了神經突觸，兩者連接，就相當於人造了一個局部的神經突觸系統。能夠進行赫布學習，具有短期可塑性的那種。

這個“人造神經系統”來自一篇近期發表在Nature 子刊Nature Communications 上的論文，華人共同一作。作者在論文中還表示，這種人工製造的局部神經系統定義了一個新的前景：未來，這一人工系統或許能與植物、無脊椎動物和脊椎動物的生物信號系統（如中樞神經系統）進行連接或更複雜的整合。啊這，更複雜是指……

“印刷噴塗”而成的人工神經元

先從人造神經元開始說起。這種神經元簡稱OECN，全名有機電化學神經元（Organic ElectroChemical Neurons）。它基於有機電化學晶體管（OECTs）製成，是研究團隊在2018 年時開發的一種新型材料，使用絲網印刷和噴塗組合製成，可以在一張塑料薄片上印刷成千上萬個。它的特性就是高度的生物相容性，這使得這種晶體管製成的神經電路具有離子介導的尖峰機制，與生物系統的信號特徵非常相似。

將這些元件組合在一起，就能創建一個模擬神經元行為的微型電路：

也因此，人造神經元的運行機制類似於生物神經細胞。在靜止狀態下，神經細胞的外側帶有多餘的正電荷，細胞內側帶有多餘的負電荷，同時，在膜電壓超過給定閾值時，生物神經元就能產生脈衝。而人造神經元則通過向輸入端注入電流產生尖峰，實現一種類似的動作電位的傳導，還能調節電解質的離子濃度控制尖峰頻率。將人造神經元與捕蠅草連接，根據神經元的放電頻率就能誘導其肺葉閉合：

加入突觸，形成神經網絡

但單個神經元對於生物體來說是沒有意義的，研究團隊的一位科學家表示：神經元和突觸一起構成了大腦的基石。

於是，團隊也製造了人工突觸OECSs，全稱有機電化學突觸（Organic ElectroChemical Synapses）。突觸與神經元採用相同的結構製造，通過在通道中施加柵極電壓脈衝，使人工突觸導電性可以長期增加：

通過實驗，研究人員成功證明了製成的人工突觸進行了赫布學習（Hebbian theory）：即不再直接對神經元輸入興奮性電流，而是向突觸施加電壓，根據其突觸強度將其轉換為電流，從而調節尖峰頻率。

赫布學習是神經科學領域的一種理論，解釋了腦中的神經元在學習的過程中所發生的的變化，即：兩個神經元之間的連接強度會隨著活動的增加或減少。

神經元之間的連接強度控制著不同大腦迴路的功能，這也是信息編碼進入大腦的關鍵。當然，也有不足。我們大腦中的神經元之間的連接強度會根據活動而實時增強或減弱，但現在的人工突觸只能不斷增強，但不能減少。如果這種神經元的連接強度不可逆，那也就無法形成有效的網絡。

賽博朋克又一步

不過，在前往的複雜的人工製造的感覺和處理系統之前，這種研究至少點亮了第一步。與捕蠅草連接並成功誘導的“閉合”動作，就證明了未來或許還能實現更加複雜的傳感器檢測，與生物系統進行集成，促進植入式設備的開發。並且，這些人工神經元的電路是印刷在柔性基板上的，可以進行大規模的印刷，具有較高的製造產能。軟體機器人、腦機接口，甚至賽博朋克中的人機結合，都是可想像的未來。

論文有兩位共同一作Padinhare Cholakkal Harikesh 和Chi-Yuan Yang。

其中Chi-Yuan Yang 為來自北京的華人科學家，博士畢業於北京大學，現是瑞典的林雪平大學科學與技術系的一名博士後。