2017年，斯坦福大学(Stanford University)的研究人员展示了一种新设备，它模仿了大脑高效、低能量的神经学习过程。这是一个由有机材料制成的人工突触——神经递质在神经元之间传递信息的间隙。2019年，研究人员将9个人工突触组装成阵列，表明它们可以同时被编程来模仿大脑的并行操作。
2017年，材料科学与工程副教授Alberto Salleo和研究生Scott Keene展示了之前人工突触设计的电化学特性。他们最新的人工突触是一种与活细胞结合的生物混合装置。(图片来源:洛杉矶西塞罗)
现在，在6月15日发表在《自然材料》(Nature Materials)上的一篇论文中，他们测试了首个生物杂交版本的人工突触，证明它可以与活细胞交流。该设备的未来技术可以直接对大脑发出的化学信号做出反应。这项研究是与意大利那不勒斯的意大利技术学院(意大利理工学院
1 IIT)和荷兰埃因霍温理工大学的研究人员合作进行的。
斯坦福大学材料科学与工程教授、该论文的共同高级作者Alberto Salleo说:“这篇论文确实突出了我们使用的材料在与生命物质相互作用方面的独特力量。”“细胞很乐意坐在柔软的聚合物上。但相容性更深入:这些材料与神经元自然使用的相同分子起作用。”
其他的脑集成装置需要电信号来检测和处理大脑的信息，而这个装置和活细胞之间的通信是通过电化学来进行的——就好像这个材料只是另一个神经元从它的邻居那里接收信息一样。
神经元如何学习
生物杂交人工突触由两个软聚合物电极组成，由充满电解质溶液的沟槽分隔——这是突触间隙的一部分，分隔了大脑中交流的神经元。当活细胞被放置在一个电极上时，这些细胞释放的神经递质会与电极发生反应，产生离子。这些离子穿过沟槽到达第二电极并调节该电极的导电状态。其中一些变化被保留下来，以模拟自然界中发生的学习过程。
“在生物突触中，基本上所有的东西都是由突触连接处的化学作用控制的。每当细胞相互交流时，它们都在使用化学物质，”斯科特·基恩(Scott Keene)说，他是斯坦福大学的研究生，也是这篇论文的主要作者之一。“能够与大脑的自然化学反应使该设备更加实用。”
这个过程模仿了在生物突触中看到的那种学习，在能量方面是非常高效的，因为计算和记忆存储发生在一个动作中。在比较传统的计算机系统中，先对数据进行处理，然后再将其移到存储器中。
为了测试他们的装置，研究人员使用了释放神经递质多巴胺的老鼠神经内分泌细胞。在他们进行实验之前，他们并不确定多巴胺将如何与他们的材料相互作用——但是他们看到了在第一次反应时设备状态的永久变化。
基恩说:“我们知道这个反应是不可逆的，所以它会导致设备的导电状态发生永久性变化。”“但是，直到我们在实验室看到它发生，我们才知道我们是否能实现我们在纸上预测的结果。那时我们意识到它在模仿突触长期学习过程中的潜力。”
第一步
这种生物混合设计还处于早期阶段，目前研究的主要焦点仅仅是让它发挥作用。
“这证明了融合化学和电的交流是可能的，”Salleo说。“你可以说这是迈向脑机接口的第一步，但这只是非常微小的第一步。”
现在，研究人员已经成功地测试了他们的设计，他们正在为未来的研究找到最好的路径，这可能包括在大脑启发计算机、脑机接口、医疗设备或神经科学的新研究工具上的工作。他们已经在研究如何使该设备在包含不同种类细胞和神经递质的更复杂的生物环境中更好地发挥作用。
斯坦福大学的其他合著者包括材料科学与工程博士后研究员Armantas Melianas和材料科学与工程研究生Yaakov Tuchman。意大利技术研究所的Claudia Lubrano和那不勒斯二世大学的合著者是这篇论文的第一作者。埃因霍温理工大学的约里·范·德·伯格特和意大利技术研究所的弗朗西斯卡·桑托罗是共同的高级作者。本文的其他共同作者包括来自意大利技术研究所(意大利)、埃因霍温理工大学(荷兰)和Cicci研究所(意大利)的研究人员。Salleo是斯坦福Bio-X和Wu Tsai神经科学研究所的成员，也是Precourt能源研究所的附属机构。
这项研究由美国国家科学基金会、半导体研究公司、斯坦福大学研究生奖学金、斯坦福大学博士后研究的克努特和爱丽丝瓦伦堡基金会以及欧盟的“地平线2020”研究和创新计划提供资金。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/06/15/artificial-synapse-works-living-cells/