什么情况下可以免做生物相容测试(科幻正在成真！人造神经元成功控制捕蝇草，或助推脑机接口变革)

作者:库珀

20世纪80年代，美国计算机科学家Carver Mead在一篇论文中提出了“神经形态工程”这一术语。

他花了40多年的时间试图开发一种分析系统，可以模拟人类的感官和处理机制(如触觉、视觉、听觉和大脑思维等)。).

如今，虽然很多人对神经形态计算技术并不熟悉，但对基于这些系统理论的一种更广泛的技术——人工智能并不陌生。

近年来，许多智能芯片架构受到神经形态学计算研究的影响，进而产生了许多硅架构来实现神经元级的计算能力，并通过神经形态学来优化计算策略。

展望未来，脑机接口技术是神经形态学工程的典型应用，科学家需要将人工神经形态学设备与生物系统相结合，以修复和增强人体功能。

然而，由于人工神经形态器件生物相容性差、电路复杂、能效低，以及与生物离子信号调制的工作原理根本不同，硅基神经形态器件在生物集成潜力上受到极大限制。

今天，发表在《自然通讯》上的最新论文报告了一种人工神经元(OECN)，它可以成功地与捕蝇草的生物细胞连接，并可以使这种植物合上叶子。

图|实验中收集的神经信号(来源:自然通讯)

根据论文，OECNs还可以与所有打印的有机电化学突触(OECSs)整合，并对各种刺激做出反应，这为局部人工神经元系统定义了新的前景，并有望与植物、昆虫甚至脊椎动物的生物信号系统整合。这一发现可能会对脑机接口和软机器人技术的未来发展产生影响。

众所周知，生物的基本要素与电子设备有着本质的区别。因此，将人工设备与生物系统联系起来的能力是一个棘手的新研究领域。

虽然基于软件的神经形态学算法已经集成到生物医学系统中，但最终还是需要基于硬件的系统。这些系统与活组织密切相关，可以利用对事件的感知和生物系统的处理能力来进化它们的功能。

借用生物信号系统设计理念的神经形态学系统有望弥合这一鸿沟。

近年来，有机半导体备受业界青睐，在人工突触、神经电子学和神经接口方面的应用日益增多。从结构上看，有机半导体具有溶液可加工性、生物相容性、生物可降解性和柔性的特点，能够提供特定的激发、传感和驱动能力，支持电子和离子信号的传输。

相关报道中提到的有机场效应晶体管(OFETs)的人工神经元已经显示出很大的用途，但它们需要高电压(5V)输入才能运行，这是与生物体集成时显而易见的关键问题。

另一个潜在的技术方向是有机电化学晶体管(OECTs)，通过有机沟道材料的栅驱动离子掺杂/反掺杂进行调制，类似于生物系统的离子驱动过程和动力学。

与OFET相比，OECT可以在相对较低的电压(< 1V)下工作，具有较高的跨导，良好的阈值电压稳定性和通常较高的生物相容性，这些特性使OECT成为开发可印刷和生物相容的人工锋电位神经电路的理想候选，该电路具有离子介导的锋电位机制，与生物系统的信号特性非常相似。

图|有机电化学神经元及其与生物神经元的类比(来源:自然通讯)

在这项最新成果中，OECNs展示了几个神经元特性，包括离子浓度依赖型峰值和峰值时间依赖型可塑性(STDP)与印刷有机电化学突触(OECSs)的集成，可响应大范围的输入电流(0.1–10 A)，频率调制超过450%。

在实验中，研究人员首次利用晶体管依赖于离子浓度的开关特性，在很大程度上类似于生物系统调节峰值频率，这在基于OFET或硅基的神经元中是不可能的。

这种电导调节实现了成对脉冲促进的短时可塑性和1000秒以上的长时可塑性。他们预计，OECNs的灵活性、在柔性基底上打印的能力、离子调制尖峰和多刺激响应将为生物神经网络的简单集成应用开辟一条新的道路。

整体来看，这一研究成果有四个关键环节。

首先，印刷有机电化学晶体管。

研究人员选择Axon-Hilllock(A-H，指神经元中靠近轴突的细胞体区域)电路来制作棘波OECN，因为它是棘波神经网络(SNN)和基于事件的传感器最紧凑的模型，电路由N型和P型OECTs组成。OECT具有横向Ag/AgCl栅极配置，并且在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上具有丝网印刷的碳和银电极。当碳作为化学惰性层与高分子半导体接触时，银底层会降低线电阻。

其次是机电化学神经元、模拟生物神经元和生物集成。

嗅鞘细胞的运作机制类似于生物神经细胞。在静止状态下，神经细胞外侧有多余的正电荷，细胞内侧有多余的负电荷，这是由脂质细胞膜的绝缘特性维持的。

类似于神经细胞的操作，OECN电路通过对注入输入端(Iin)的电流进行积分来产生尖峰。进一步研究表明，复位晶体管的工作原理类似于神经细胞中的电压依赖性钾通道。膜电容对生物神经元动作电位的传导速度起着重要作用。较低的膜电容将导致更快的传播。在神经细胞中，这种电容的降低是通过在轴突上包裹一层称为髓鞘的绝缘层来实现的。

OECN的一个显著特征，尤其是与基于硅或OFET的尖峰神经元相比，是其通过调节电解质的离子浓度来直接控制尖峰频率的能力。类似于生物神经元需要膜电压超过给定阈值才能产生脉冲的泄漏行为，OECN电路在低于特定电流阈值时不会触发。

低功耗对于该电路在SNN和基于事件的传感器中的应用非常重要。电路的主要功耗源是放大器模块，所以电路的动态功耗是IDD、动态和VDD的乘积。由于逆变器可以在0.6 V的低工作电压下工作，最大动态IDD为25 μA，因此最大动态功耗为15 μW W，通过光刻技术减小通道尺寸，可以将OECN的功耗降低到更低的值，这将减少流经OECT的电流，更小的通道也会增加OECT的响应时间，降低功耗。

为了展示OECN的生物整合能力，研究人员将这个完全打印的神经元与捕蝇草连接起来。捕蝇草的陷阱闭合也可以通过电刺激来诱导，包括DC刺激、直接电荷注入、交流刺激和电容诱导电流，这使得它非常适合与人工神经元集成。

第三，打印有机电化学突触。

OECSs采用与OECNs相同的印刷电极结构制造。OECS电导率的长期增加是通过在通道中施加门电压脉冲实现的，这类似于N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体介导的生物突触中新受体的插入，导致突触强度的长期增加。OECS显示了150种不同的状态，并且保持状态的时间超过了1000秒。

图|印刷的有机电化学突触(来源:自然通讯)

第四，有机电化学神经元和突触的整合。

在生物突触中，每一个突触前输入都不会改变突触强度，因为它很快就会使突触强度饱和。突触前和突触后神经元的锋电位之间的时间相关性形成了突触可塑性长期增加/减少的基础，称为峰时可塑性(STDP)，从而实现联想学习。

为了进一步说明OECN和OECS的重要性，本研究展示了一个简单的神经突触系统，使用一个连接到OECN的突触晶体管进行Hebbian学习(一种无监督的学习规则，非常符合人类观察和理解世界的过程)。不是给神经元输入兴奋性电流，而是给突触施加电压，根据其突触强度转换成电流，从而调节峰值频率。

在这个有机电化学突触系统中演示Hebbian学习是重要的一步，有望扩展到构建更复杂的具有局部学习能力的感觉和处理系统。

图|壳中幽灵人机结合的科幻场景

据研究人员介绍，OECN与硅基电路相比，具有STDP的神经突触系统中的元件更少，电路可以大规模印刷，制造能力高。与基于OFET的电路相比，神经元可以完全印刷在柔性基板上，以更低的功耗运行，因此可以为未来的物联网开发分布式低成本智能单元。

OECN的峰值频率可以通过改变放大器的输入电流、膜电容和电压来调节。这种特性和通过调节电解质浓度来调节峰值频率的能力更便于与生物系统集成，并有望促进未来可植入装置的发展。

研究人员将OECN与金星捕蝇草连接，根据神经元的放电频率诱导肺叶闭合，证明了这种可能性。再加上未来独特的感知多种生物、物理、化学信号的能力，可以实现多种传感器检测。

图|动画中的超级计算机EVA

展望未来，将多种传感元件集成到神经元中的可能性可以开发出新的生物可集成传感器，从物联网封装的智能神经形态学、连续健康监测(即可穿戴电子设备)到脑机接口都可以应用。

由OECNs和OECSs组成的局部人工神经突触体系统有望与植物的信号系统、无脊椎动物和脊椎动物的弥散神经系统、外周神经系统和中枢神经系统结合，产生更多的可能性。

在很多科幻作品中，人类大胆期待未来生物与机器的完美结合。虽然很赛博朋克，但也不是空穴来风。也许随着科技的进步，当科学家能够克服人机结合的挑战时，他们的梦想就会实现。

参考资料:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6