人造神经元成功操纵植物，让捕蝇草强行闭合，脑机接口新思路打开丨Nature子刊...

Posted 2022-03-14 QbitAl

博雯 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

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，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，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，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，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，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，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，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/