斯坦福大学的研究人员开发了与活细胞一起工作的人工突触

2017年,斯坦福大学的研究人员提出了一种新设备,该设备可以模仿大脑高效低能耗神经学习过程。这是一个由有机材料制成的人工合成突触,神经递质通过这个突触在神经元之间传递信息。2019年,研究人员将9个人工突触组装在一起,形成一个阵列,表明它们可以同时编程以模仿大脑的并行操作。

斯坦福大学的研究人员开发了与活细胞一起工作的人工突触

现在,在6月15日发表在《自然材料》上的一篇论文中,他们已经测试了他们的人工突触的第一个生物杂交版本,并证明它可以与活细胞进行通信。这种设备产生的未来技术可以通过直接响应来自大脑的化学信号来发挥作用。这项研究是与意大利Istituto Italiano di Tecnologia(意大利理工学院-IIT)和荷兰埃因霍温理工大学的研究人员合作进行的。

该研究成果真正凸显了使用的材料在能够与生物物质相互作用方面的独特优势。

虽然其他与大脑集成的设备需要电信号来检测和处理大脑的信息,但是该设备与活细胞之间的通信是通过电化学进行的-就像该材料只是从其邻近神经元接收信息一样。

神经元如何学习

生物混合人工突触由两个柔软的聚合物电极组成,两个电极之间被充满电解质溶液的沟槽隔开-它扮演着大脑中分离通讯神经元的突触裂隙的角色。当活细胞放在一个电极顶部时,这些细胞释放的神经递质可以与该电极发生反应,产生离子。这些离子穿过沟槽到第二个电极,并调制该电极的导电状态。其中一些变化被保留下来,模拟自然界中发生的学习过程。

斯坦福大学的研究生,论文的共同主要作者斯科特·基恩说:“在一个生物突触中,基本上所有事物都由突触连接处的化学相互作用所控制。每当细胞彼此通信时,它们就使用化学。” 。“能够与大脑的自然化学相互作用,为该设备增加了实用性。”

这个过程模仿了生物突触中的相同学习,这种学习在能量方面非常高效,因为计算和记忆存储发生在一个动作中。在传统的计算机系统中,数据先被处理,然后再转移到存储中。

为了测试他们的装置,研究人员使用了能释放神经递质多巴胺的大鼠神经内分泌细胞。在进行实验之前,他们不确定多巴胺将如何与材料发生相互作用-但是他们发现,在第一次反应后,装置状态会发生永久性变化。

这种生物杂交设计尚处于早期阶段,以至于当前研究的主要重点只是使其发挥作用。

这证明了这种融合化学和电的通信是可能的,这是迈向脑机接口的一小步。

现在,研究人员已经成功测试了他们的设计,他们正在寻找未来研究的最佳途径,其中可能包括在脑启发计算机,脑机接口,医疗设备或神经科学新研究工具上的工作。他们已经在研究如何使设备在包含各种细胞和神经递质的更复杂的生物环境中更好地发挥作用。

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