南邮联合南洋理工造出人工神经元，向化学脑机接口迈出重要一步
“这种人工神经元的诞生，代表着学界向化学脑机接口迈出了重要一步。即基于化学语言的同模态通信，我们实现了人工神经元与活神经元的交互。对于基于神经递质的神经假体和类脑芯片**的开发，此次研究开辟了一条新途径。”南京邮电大学化学与生命科学学院王婷表示。
图 | 王婷（来源：王婷）
最近，王婷和合作者研发出一款人工神经元，其能模拟生物神经元，同时实现对多巴胺的灵敏检测，还可以自适应地释放多巴胺，为真正实现与生物神经元之间的化学通讯开辟了新途径。
审稿人认为该工作首次实现了神经递质的传感与释放，并表示：“通过这项技术，他们成功开发出了能接收和释放神经递质多巴胺的人工神经元，这是首次被实现。”
另据悉，新加坡南洋理工大学柔**件创新中心主任陈晓东教授担任**通讯作者，他也是王婷从事博后期间的导师。结束博后研究后，王婷回国加入南京邮电大学。
充当“化学信桥”的人工神经元
据介绍，脑机接口（Brain-machine interface，BMI）是人脑/神经**与外界电子设备信息交互的通道，是监测与解析脑部活动、治疗神经疾病、构建智能假肢等技术领域的基石，目前已成为“脑科学”的核心研究内容之一。
当下，脑机接口主要依赖于电信号来解读脑部信号，这类电生理信号来源于神经元细胞受激后的膜电位变化。
然而在生物体内，神经元之间主要通过神经递质（如多巴胺、乙酰胆碱等）进行信息交流与传递。人类的大脑决策、情绪调控等功能，均和神经递质密切相关。
这意味着，当外部设备直接与神经元进行交互时，会存在信息模态不匹配的问题，类似于两个**中的语言种类是不通的。
因此，这**了基于电生理信号的传统脑机接口的应用，特别是在精细解读与神经递质相关的智能信息方面，依然存在技术壁垒。
于是该团队设想，是否可以开发一种人工神经元，让它和神经元说同样的化学语言？
沟通，意味着信息的双向传递。即交互过程能直接感知化学信息，并能释放化学信息。
同时，对于神经元来说，它还具备神经塑性，即它能根据**的强弱，来动态地调控连接的权重，这被认为是人类智能行为比如记忆、学习等的分子学基础。那么，为了很好地和神经元互动，理想的人工神经元也应具备类似的自适应功能。
为此，课题组开发出一种基于化学神经递质介导的人工神经元，以实现脑机接口之间模态匹配的双向交互。该人工神经元可以解读神经递质中的化学信息，并能自适应地定量释放神经递质（多巴胺）。
其由三部分构成，分别包括：多巴胺电化学传感器、用于信号处理并模拟突触可塑性的忆阻器、以及多巴胺释放器。
图 | 神经递质介导的人工神经元的设计与构建（来源：Nature Electronics）
那么，人工神经元的设计原理与工作原理分别是什么？
王婷表示，得益于氧化石墨烯。及碳纳米管优异的导电性，以石墨烯/碳纳米管复合材料为识别元件的多巴胺电化学传感器，具有较高的灵敏度（419.9μA cm−2 mM−1）、较宽的检测范围（1.0μM - 1.5mM）、以及良好的稳定性和选择性，可满足检测突触间隙里多巴胺浓度的需求。
而基于银纳米颗粒掺杂效应的阻变忆阻器，可同步实现大约毫秒的短期记忆、以及大于 104 秒长期记忆 （*作响应时间约 75 纳秒 ）。这意味着，其能为**自适应性提供一定基础。
图 | 人工神经元的设计与感释功能（来源：Nature Electronics）
图 | 人工神经元构建单元的设计与性能展示（来源：Nature Electronics）
同时，借助忆阻器电流输出控制的水凝胶致动，多巴胺分子释放器可以利用焦耳热效应，再结合凝胶温度敏感特性，即可实现多巴胺分子在 37.5 ~ 45℃ 温度范围内的自适应定量释放。
在相关的化学信息流里，主要遵循以下三个步骤：
其一，将多巴胺化学信号转化为电流信号；
其二，借助电流信号，对忆阻器的内阻状态进行适应性的调制；
其三，利用焦耳热效应，**器件释放多巴胺化学信号，传递给临近神经元，让化学信息实现双向交互。
图 | 人工神经元与生物体**神经元的交互（来源：Nature Electronics）
而在人工神经元与生物体**神经元交互界面，这种由化学神经递质介导的人工神经元，可以成功释放多巴胺，并能** PC12 细胞打开离子通道。
在生物混合的界面中，人工神经元可以充当“化学信桥”，将信息传输到 PC12 细胞，实现了类中间神经元的化学通讯。
为了进一步验证人工神经元、是否可以模仿人类运动神经元去控制肌肉收缩，研究团队使用该人工神经元激活机器手和老鼠腿部。结果发现，当施加多巴胺**时，机器手被激活后会产生握手动作，并会触发活鼠后肢弯曲。
图 | 人工神经元与机械手的交互（来源：Nature Electronics）
近日，相关**以《化学介导的人工神经元》（A chemically mediated artificial neuron）为题发表在 Nature Electronics，王婷担任第一作者。
图 | 相关**（来源：Nature Electronics）
王婷补充称：“我们这种化学介导的神经元，旨在与神经元进行同模态的交互，审稿人评价了我们的工作为‘该领域的重大进步’。”
终极目标：让人工神经元网络复刻生物**
据悉，课题组最初产生此次设想是在 2017 年。而完整地实现这样一个化学介导的神经元，一路走来并不容易，包括功能单元的选择、单元之间的整合、集成**的设计、生物界面的构造等。
其中涉及到多个学科，包括材料、化学、生物、电子、医学等。非常幸运的是，王婷当时的导师陈晓东教授的课题组，有来自不同背景的博士和博后。
王婷说：“陈老师一直非常鼓励大家合作交流，我主要研究柔性生物传感，担任此次**共同一作的王明老师主要研究忆阻新型存储与计算。于是我们开始着手合作此次工作。后续，人工神经元与**神经元的交互验证，也得到了南京医科大学胡本慧教授的鼎立支持。”
跨学科的工作在一开始比较有难度，各学科的术语、大家的关注点都不同。好在王婷在博后期间基本都泡在实验室，两位一作面对面一起沟通和学习，基本没有太多障碍。
刚开始做实验时也曾遇到困难，由于**运行对每个单元的稳定性和一致性的要求比较高，他们试了很多材料、以及不同的器件设计方案，最后终于得到相对稳定、且信号匹配的器件和**。
另据悉，王婷博士毕业于中南大学，后到新加坡完成博后研究，其研究方向为柔性界面上的生物传感与智能拟态**。
该**共同第一作者王明，现任复旦大学青年研究员，是王婷在博后期间的同事。其毕业于中科院微电子所，先后在美国密歇根大学、华为公司和新加坡南洋理工大学等机构学习和工作。研究方向为忆阻新型存储与计算、柔性智能感知**。
图 | 王明（来源：王明）
尽管王婷和王明都已结束在同一课题组的博后研究，并就职于不同单位。但是关于该成果的后续研究，仍将继续推进。
目前在**级性能上，人工神经元和自然神经元依然存在差距，包括响应时间、功耗和**封装。
因此，他们打算进一步提升人工神经元的各项性能。基于此建立一个化学介导的神经元网络，从而完成复杂的情绪关联活动。
其最终目标是，让人工神经元网络可以复刻生物**，从而构建微型智能机器人、意识控制和神经形态计算。
参考资料：
1.Wang, T., Wang, M., Wang, J. et al. A chemically mediated artificial neuron. Nat Electron (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00803-0
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