瑞典林雪平大學(xué) (LiU) 的研究人員創(chuàng)造了一種人工有機(jī)神經(jīng)元，它非常模仿生物神經(jīng)細(xì)胞的特征。這種人工神經(jīng)元可以刺激自然神經(jīng)，使其成為未來各種醫(yī)學(xué)治療的有前途的技術(shù)。

LOE 有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)致力于開發(fā)功能越來越強(qiáng)大的人工神經(jīng) 細(xì)胞。2022 年，由西蒙娜·法比亞諾 (Simone Fabiano) 副教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家展示了如何將人造有機(jī)神經(jīng)元整合到活的食肉植物中，以控制其花膠的開合。這種合成神經(jīng)細(xì)胞符合將其與生物神經(jīng)細(xì)胞區(qū)分開來的 20 個(gè)特征中的兩個(gè)。

在他們發(fā)表在《自然材料》雜志上的最新研究中， LiU 的同一位研究人員開發(fā)了一種新的人工神經(jīng)細(xì)胞，稱為基于電導(dǎo)的有機(jī)電化學(xué)神經(jīng)元或 c-OECN，它密切模仿了 20 種表征生物特征的神經(jīng)特征中的 15 種神經(jīng)細(xì)胞，使其功能更類似于天然神經(jīng)細(xì)胞。

“創(chuàng)建有效模擬真實(shí)生物神經(jīng)元的人工神經(jīng)元的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是結(jié)合離子調(diào)制的能力。由硅制成的傳統(tǒng)人工神經(jīng)元可以模擬許多神經(jīng)特征，但不能通過離子進(jìn)行通信。相比之下，c-OECN 使用離子來展示了真實(shí)生物神經(jīng)元的幾個(gè)關(guān)鍵特征，”LOE 有機(jī)納米電子學(xué)組首席研究員 Simone Fabiano 說。

2018 年，林雪平大學(xué)的這個(gè)研究小組是最早開發(fā)基于n 型導(dǎo)電聚合物的有機(jī)電化學(xué)晶體管的研究小組之一，n 型導(dǎo)電聚合物是一種可以傳導(dǎo)負(fù)電荷的材料。這使得構(gòu)建可印刷的互補(bǔ)有機(jī)電化學(xué)電路成為可能。從那時(shí)起，該小組一直致力于優(yōu)化這些晶體管，以便它們可以在印刷機(jī)中印刷在薄塑料箔上。因此，現(xiàn)在可以在柔性基板上打印數(shù)以千計(jì)的晶體管，并用它們來開發(fā)人造神經(jīng)細(xì)胞。

在新開發(fā)的人工神經(jīng)元中，離子用于控制電流通過 n 型導(dǎo)電聚合物的流動(dòng)，從而導(dǎo)致設(shè)備電壓出現(xiàn)尖峰。這個(gè)過程類似于生物神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)生的過程。人工神經(jīng)細(xì)胞中的獨(dú)特材料還允許電流以幾乎完美的鐘形曲線增加和減少，類似于生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的鈉離子通道的激活和失活。

Simone Fabiano 說：“其他幾種聚合物表現(xiàn)出這種行為，但只有剛性聚合物能夠抵抗無序，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的設(shè)備運(yùn)行。”

在與卡羅林斯卡研究所 (KI) 合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，新的 c-OECN 神經(jīng)元與小鼠的迷走神經(jīng)相連。結(jié)果表明，人工神經(jīng)元可以刺激小鼠的神經(jīng)，使它們的心率發(fā)生 4.5% 的變化。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，人工神經(jīng)元可以刺激迷走神經(jīng)本身這一事實(shí)可能為各種形式的醫(yī)療中的基本應(yīng)用鋪平道路。一般來說，有機(jī)半導(dǎo)體具有生物相容性、柔軟性和可塑性等優(yōu)點(diǎn)，而迷走神經(jīng)在人體免疫系統(tǒng)和新陳代謝等方面起著關(guān)鍵作用。

研究人員的下一步將是降低人工神經(jīng)元的能量消耗，該能量消耗仍遠(yuǎn)高于人類神經(jīng)細(xì)胞。要人工復(fù)制自然，還有很多工作要做。

“關(guān)于人類大腦和神經(jīng)細(xì)胞，我們還有很多不完全了解。事實(shí)上，我們不知道神經(jīng)細(xì)胞如何利用這 15 個(gè)已證明的特征中的許多特征。模仿神經(jīng)細(xì)胞可以使我們理解更好地開發(fā)大腦并構(gòu)建能夠執(zhí)行智能任務(wù)的電路。我們還有很長(zhǎng)的路要走，但這項(xiàng)研究是一個(gè)良好的開端，”該科學(xué)論文的主要作者、博士后 Padinhare Cholakkal Harikesh 說。