科學(xué)家在芯片上搭建神經(jīng)元電路

研究人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通訊和協(xié)調(diào)運(yùn)作，是現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月13日（北京時(shí)間）報(bào)道，最近，以色列特拉維夫大學(xué)電力工程學(xué)院開發(fā)出一種新型芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，利用先進(jìn)材料和組織工程技術(shù)將神經(jīng)元和電子學(xué)結(jié)合起來，研究腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理。研究論文發(fā)表在最新一期《科學(xué)公共圖書館·綜合》上。

    以色列特拉維夫大學(xué)電力工程學(xué)院博士生馬克·史恩說，計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算建立在人類邏輯的基礎(chǔ)上，但計(jì)算機(jī)的信息處理過程能分解成單個(gè)邏輯步驟，而人腦的信息處理過程卻不可以。人腦由大量的電路互相連接而成，腦電路工作就像在編碼，我們可以通過簡(jiǎn)化腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，控制細(xì)胞之間的連接，來研究人腦邏輯。

    研究人員利用電極和活的神經(jīng)細(xì)胞連接成一種特殊結(jié)構(gòu)，讓其在培養(yǎng)皿中生成各種大小不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)群，并通過一種芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，在芯片上激活神經(jīng)元電路，觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同化學(xué)信號(hào)和外部條件下的反應(yīng)。

    通過施加外部刺激，如一道亮光，研究人員能監(jiān)控視覺神經(jīng)元的反應(yīng)。“我們認(rèn)為這一過程采取了編碼策略。”史恩說，相對(duì)簡(jiǎn)單的神經(jīng)“點(diǎn)亮”方式能被耳朵、眼睛等感官接受，但對(duì)更復(fù)雜的過程，如“思想”過程或不同的感受器官同時(shí)輸入、輸出，基本還是個(gè)黑箱。

    研究單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)還難以理解整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，史恩和導(dǎo)師約爾·漢恩教授、物理與天文學(xué)院的埃希爾·本-雅可布教授進(jìn)一步對(duì)更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行了觀察，以尋找大腦信息編碼的基本元素。他們利用納米技術(shù)系統(tǒng)工具，同時(shí)探測(cè)多個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)方式，特別探測(cè)了在大量神經(jīng)會(huì)合的節(jié)點(diǎn)處多個(gè)神經(jīng)群之間的溝通聯(lián)系。

    他們?cè)谟^察這些神經(jīng)群的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)群的反應(yīng)是只憑單個(gè)神經(jīng)元無法預(yù)測(cè)的，這表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)等級(jí)結(jié)構(gòu)，大網(wǎng)絡(luò)由更小的次級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。研究人員解釋說，一個(gè)神經(jīng)群要能支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，并與其他群互相通訊，這最少需要40個(gè)神經(jīng)元，才能完成其在功能網(wǎng)絡(luò)中的各種任務(wù)。

    研究人員還表示，他們開發(fā)的工具也可以用來測(cè)試新藥，或作為一種先進(jìn)的人工智能，并幫助連接大腦和人造義肢。