第一個人工數字神經元已在實驗室中創建，旨在恢復失去的大腦功能。科學家們計劃使用這些芯片來治療神經退行性疾病。

阿爾茨海默氏癥是一種神經退行性疾病，涉及神經元的進行性死亡，并伴有認知、行為和運動后果；這有點像帶走受影響者的靈魂，不僅對患者而且對他們的家人都是毀滅性的。阿爾茨海默病仍然難以治療，但研究人員正在探索可能有助于改善患者生活質量的新納米技術解決方案。

由英國巴斯大學的科學家領導的一個國際研究小組在實驗室中創造了第一個人工神經元，這是一種微型設備，旨在修復神經回路并恢復失去的功能。科學家們計劃使用這種仿生芯片來治療與心臟相關的疾病和神經退行性疾病。

根據 Trust Source 2016 年的一項研究，每 66 秒就有一個人患上阿爾茨海默病。分析人士指出，總共約有 540 萬成年人患有這種疾病。它的特點是進行性記憶喪失和其他認知功能的退化，這些功能會損害日常活動的表現。目前還沒有治愈方法，盡管有臨床治療可以延長個人能夠進行日常活動的時間。

長期以來，人們一直在研究生物細胞的電學特性以了解細胞內動力學。迄今為止，難以測量控制離子電流動力學和離子電導非線性的微觀參數阻礙了構建定量計算模型的努力。這使得創建能夠復制生物神經元的精確反應的神經形態設備變得困難。

對用于治療慢性疾病的可植入生物電子學的日益關注正在推動技術朝著精確模仿生物電路的低功耗固態模擬設備發展。

無論系統的大小和復雜性如何，模擬異步電子設備都是立即集成原始神經刺激的最有前途的方法。此外，最近構建定量神經元計算模型的努力集中在將 Hodgkin-Huxley (HH) 模型推廣到多通道模型上。

巴斯大學的科學家團隊與瑞士蘇黎世大學、新西蘭奧克蘭大學和一些意大利研究人員的同事密切合作。他們一起設計了第一個人工神經元，旨在恢復因阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥等各種神經退行性疾病而受損的功能。該研究發表在《自然通訊》雜志上。

“任何患有退行性疾病的區域，例如阿爾茨海默氏癥，或者神經元由于年齡、疾病或受傷而停止正常放電的區域，那么理論上，你可以用合成電路代替有缺陷的生物電路，”Alain 說Nogaret，一位在巴斯大學領導該項目的物理學家。

該團隊生產的芯片是基于硅的微型設備，以模仿真實神經元“工作”的生物離子通道為模型。目標是讓這些芯片修復退行性疾病造成的損傷，恢復神經回路的主要功能。在實踐中，它們代表了神經管被中斷的地方的連接橋。

這些芯片植入物僅消耗 140 納瓦，大約是微處理器所需能量的十億分之一。超低能耗很重要，因為這意味著芯片可以在無電池的情況下運行，完全依靠能量收集。

科學家的下一個目標將是研究侵入性較小的非手術方法來應用深部腦刺激，使阿爾茨海默病患者更容易獲得這種治療，從而更容易支持人工智能的實施。

固態神經元，或者更確切地說是電子流，在模擬大腦環境的各種當前算法的刺激下，對生物神經元的反應幾乎相同。未來的挑戰肯定會涉及響應的效率和通過深度學習工具對模型的改進。第一個硅神經元是所謂的生物電子醫學的一個例子，它使用人造材料模仿自然電路和過程。圖 1 和圖 2 顯示了發表在科學文章中的電路分析研究和相關模擬。

圖 1：仿生固態離子通道。a) 離子物質 α 的電導由激活門和失活門調制。凈離子電流 Iα 是活化電流 (Im) 和失活電流 (Ih) 之間的差值。Heaviside 函數 θ() 指定電流鏡在 Im>Ih 時輸出正電流 Iα，否則為 0。b) 神經元膜的等效電路。c-g) (c) 柵極恢復時間、(d) 電流鏡、e) 電流倍增、(f) 跨導放大和 (g) sigmoidal 激活/失活的子電路框圖。（圖片：自然通訊）

圖 2：使用固態神經元的雙胞胎實驗。a）由混合超混沌振蕩與電流步驟（藍線）的電流協議刺激的亞閾值神經元（黑線）的膜電壓。b) 模型預測的不同電流的膜電壓。c) 膜電壓振蕩的細節。d) 幾個狀態變量的預測時間依賴性。e) 同化窗口上動作電位的相圖。（圖片：自然通訊）

有問題的芯片是在醫學中實施納米電子學的技術飛躍。此外，還可以為幾個重要參數安裝 GPS 和其他控制解決方案。所有這一切都得益于微電子和超低功耗解決方案的優勢。這些芯片可以在特定時間激活各種信號、測量心率、測量血壓、血糖水平等。總之，徹底治愈有史以來最嚴重的疾病的道路正變得越來越有效。納米電子學的進步正在將我們轉變為數字人類，并且越來越“連接”。

審核編輯 黃昊宇