實(shí)際上，大腦的功能依賴于神經(jīng)元回路，神經(jīng)元之間相接觸的部位就是突觸，在結(jié)合信息傳遞與記憶存儲、處理方面起著關(guān)鍵作用。而電子學(xué)在模擬神經(jīng)元和突觸以及腦機(jī)接口方面取得了重要進(jìn)展。

近日，英國、意大利和瑞士的研究人員共同創(chuàng)建了一個混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用互聯(lián)網(wǎng)將信號從生物神經(jīng)元傳輸?shù)饺斯ど窠?jīng)元。當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 2 月 25 日，科學(xué)雜志《自然·科學(xué)報告》刊登了該研究團(tuán)隊名為 Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons（記憶突觸連接大腦和硅尖峰神經(jīng)元）的論文。

通過互聯(lián)網(wǎng)連接生物神經(jīng)元和人工神經(jīng)元

雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))了解到，該論文主要介紹了模擬真實(shí)突觸的傳遞和可塑性的大腦和硅尖峰神經(jīng)元之間的記憶聯(lián)系。

值得一提的是，這項研究由三國研究者共同完成：

英國南安普敦大學(xué)開發(fā)了納米級憶阻器，模仿突觸；

意大利帕多瓦大學(xué)培養(yǎng)了生物（老鼠）神經(jīng)元；

瑞士蘇黎世大學(xué)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院合作，在硅微芯片上創(chuàng)建了人工神經(jīng)元，通過使用憶阻器創(chuàng)建的混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得人工神經(jīng)元和生物神經(jīng)元能夠雙向?qū)崟r通信。

具體來講就是，研究人員利用與金屬薄膜氧化鈦微電極配對的憶阻器，將硅神經(jīng)元連接到老鼠海馬體的神經(jīng)元上（如下圖所示），從而證明了一個三神經(jīng)元腦-硅網(wǎng)絡(luò)，其中憶阻突觸經(jīng)歷了由神經(jīng)元放電速率驅(qū)動的長期增強(qiáng)或抑制。

根據(jù)上述描述，我們不難看出這項研究中的一個關(guān)鍵元素便是納米級憶阻器。

通常情況下，尖峰處理由基于數(shù)字馮·諾依曼（Von Neumann）的硬件運(yùn)行統(tǒng)計算法來管理。但是，依賴于近生物的尖峰信號及處理策略，神經(jīng)形態(tài)電子器件和結(jié)構(gòu)可以說是相對更好的計算選擇。

以此為基礎(chǔ)，研究人員發(fā)現(xiàn)了納米級憶阻器模仿突觸的可塑性，而用來模擬腦突觸的尖鋒電位傳遞和可塑性過程的，正是鈦連接。

如下圖所示，這個系統(tǒng)其實(shí)是一條單向電路——鈦憶阻器 MR1 存儲突觸權(quán)重作為阻性狀態(tài)，超薄電容微電極 CME 將刺激傳遞給生物神經(jīng)元，并通過記憶權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)。BN 尖峰由膜片鉗微電極記錄，然后由憶阻器 MR2 處理，并且經(jīng)由電流注入，最終傳輸?shù)降诙枭窠?jīng)元 ANpost。

而另外一個重要元素則是人工神經(jīng)元。據(jù)悉，人工神經(jīng)元被排列在硅微芯片上。類似于生物神經(jīng)元，人工神經(jīng)元能夠發(fā)送、接收可讀取和測量的信號。

雷鋒網(wǎng)了解到，這是全球首次以這樣的方式實(shí)現(xiàn)了人工神經(jīng)元和生物神經(jīng)元的跨國連接。研究人員同時也指出，希望這項研究成為神經(jīng)電子互聯(lián)網(wǎng)的開端。

對于這一突破，南安普頓大學(xué)納米技術(shù)教授兼電子前沿中心主任 Themis Prodromakis 表示：

我們對新進(jìn)展感到非常興奮。一方面，它為自然進(jìn)化過程中從未遇到過的新場景奠定了基礎(chǔ)，在該場景中生物和人工神經(jīng)元相互連接并在全球網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交流；另一方面，它為神經(jīng)修復(fù)技術(shù)帶來了新的前景，為研究用 AI 芯片代替大腦功能異常的部分鋪路。

馬斯克：構(gòu)建第三層大腦

實(shí)際上，上述「神經(jīng)電子互聯(lián)網(wǎng)」也是特斯拉公司 CEO、SpaceX 公司 CEO 兼 CTO、太陽城公司董事會主席埃隆·馬斯克（Elon Musk）的一個腦洞。

眾所周知，人類大腦分為兩層：

• 邊緣系統(tǒng)：用于控制情緒、長期的記憶和行為等；

• 大腦皮質(zhì)：處理復(fù)雜思想、推理和長期規(guī)劃。

對此，馬斯克認(rèn)為，實(shí)際上我們的大腦還有第三層——人類已經(jīng)離不開的計算機(jī)、手機(jī)等數(shù)字化設(shè)備。因此他提出了“腦機(jī)接口”的概念，讓人腦與電腦相連，完善人類大腦的第三層，對另外兩層進(jìn)行補(bǔ)充。

作為一個實(shí)干家，2017 年馬斯克便建立了腦機(jī)接口公司 Neuralink。

Neuralink 成立之初，旨在幫助患有嚴(yán)重腦損傷的人（如中風(fēng)、癌癥、先天性疾病患者等）。在大腦中植入設(shè)備后，患者即可自行控制手機(jī)或計算機(jī)。

2019 年 7 月 16 日 Neuralink 的發(fā)布會上，馬斯克透露已經(jīng)有一只參與試驗(yàn)的猴子能夠用大腦來控制電腦了，同時還介紹了已推出的主要技術(shù)：

• 寬度僅為 4-6 μm、能夠傳輸大量數(shù)據(jù)的 Thread；

• 神經(jīng)外科機(jī)器人，每分鐘能向大腦插入包含 192 個電極的 6 個 Thread；

• 定制芯片，能更好地讀取、清理、放大來自大腦的信號；

• N1 傳感器，可嵌入人體并以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，讀取比當(dāng)前基于有線系統(tǒng)更少的神經(jīng)元——人腦中將植入四個傳感器（三個位于運(yùn)動區(qū)域，另一個位于體感傳感器區(qū)域），它們無線連接到安裝在人耳后的外部設(shè)備，受 iPhone 應(yīng)用程序控制。

實(shí)際上，Neuralink 已經(jīng)開始在小白鼠上進(jìn)行試驗(yàn)，如果平臺穩(wěn)定的話，將通過機(jī)器人手術(shù)對 Thread 進(jìn)行植入。當(dāng)然，這一過程需要美國食品藥品監(jiān)督管理局的審核。

不過，研究腦機(jī)接口的并非只有 Neuralink 公司，F(xiàn)acebook 的 Building 8 部門、麻省理工學(xué)院等大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)目前都在做著這方面的努力。

在雷鋒網(wǎng)編輯看來，考慮到包括無線傳輸在內(nèi)的工程阻礙、人類對大腦的認(rèn)識程度、公眾對這類技術(shù)安全性的擔(dān)憂等等，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)連接絕非易事。

正如馬斯克本人所說：

科技不會自己進(jìn)步，科技進(jìn)步需要付出，需要遠(yuǎn)大的目標(biāo)和大量的辛勤工作，需要有偉大的夢想來激發(fā)人們?nèi)?chuàng)造。

本文標(biāo)題：大腦連接互聯(lián)網(wǎng)：英意瑞三國科學(xué)家創(chuàng)建“神經(jīng)電子互聯(lián)網(wǎng)”
本文URL：http://www.rwnh.cn/news/102593.html

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