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近日，巴斯大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了世界首個硅芯片上的人造神經(jīng)元，與真正神經(jīng)元幾近無異，為醫(yī)療設(shè)備治療如心力衰竭、阿爾茨海默病和其他神經(jīng)退行性疾病等慢性疾病提供了巨大的空間。

人工神經(jīng)元不僅表現(xiàn)得像生物神經(jīng)元，而且功率也只需要微處理器十億分之一，使它們非常適用于醫(yī)療植入物和其他生物電子設(shè)備。

數(shù)十年來，設(shè)計可響應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)電信號的神經(jīng)元（如真實神經(jīng)元）的人工神經(jīng)元一直是醫(yī)學(xué)的主要目標(biāo)，因為它們?yōu)橹委煙o法正常工作的神經(jīng)元提供了希望。

例如，在心力衰竭中，大腦底部的神經(jīng)元對神經(jīng)系統(tǒng)的反饋沒有做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，反過來，它們也沒有向心臟發(fā)送正確的信號，因此心臟的跳動也沒有達(dá)到應(yīng)有的強度。

然而，由于復(fù)雜的生物學(xué)和難以預(yù)測的神經(jīng)元反應(yīng)，人工神經(jīng)元的發(fā)展一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。

研究人員成功地建立了模型并推導(dǎo)出方程來解釋神經(jīng)元如何對來自其他神經(jīng)的電刺激做出反應(yīng)。這非常復(fù)雜，因為響應(yīng)是“非線性的”，換句話說，如果一個信號強度翻倍，它不一定會引起兩倍大的反應(yīng)——它有可能引起的是三倍大反應(yīng)或其他。然后，研究人員設(shè)計了能夠精確模擬生物離子通道的硅芯片，并證明了他們的硅神經(jīng)元能精確地模擬真實的、會對刺激做出反應(yīng)的活神經(jīng)元。

圖片來源：巴斯大學(xué)

研究人員還精確地復(fù)制了大鼠海馬神經(jīng)元和呼吸神經(jīng)元在大范圍刺激下的完整動態(tài)。

領(lǐng)導(dǎo)該研究項目的巴斯大學(xué)物理教授Alain Nogaret說：“到目前為止，神經(jīng)元就像黑匣子，但我們已經(jīng)成功地打開了黑匣子，看到了里面的東西。我們的研究是范式的改變，因為它提供了一種穩(wěn)健的方法來重現(xiàn)真實神經(jīng)元的電學(xué)特性的細(xì)節(jié)。”

“它能做到的遠(yuǎn)大于此，因為我們的人造神經(jīng)元只需要140納瓦的功率，是微處理器所需要功率的十億分之一，這使得人造神經(jīng)元非常適合用于生物植入治療慢性疾病。”

研究人員還正在開發(fā)一種智能心臟起搏器，它不僅能刺激心臟以穩(wěn)定的速度跳動，還能利用這些神經(jīng)元對心臟的需求做出實時反應(yīng)。人造神經(jīng)元的應(yīng)用為治療阿爾茨海默病和更廣泛的神經(jīng)退行性疾病帶來了希望。