极速聊科技|迈向脑机接口！科学家使用多巴胺无缝连接人工神经元和生物神经元( 二 )
不同于经典神经元模式 ， 更像是中间夹着一块大块的三明治的三明治 。 三明治的其余每个部分是由生物聚合物制成的软电极 。 “咬合”部分具有可以传递电信号的导电解决方案、
生物细胞靠近第一电极 。 当它被激活后 ， 它会释放出大量的多巴胺 ， 这些多巴胺会漂向电极并与之发生化学反应——模仿多巴胺与生物神经元对接的过程 。 这反过来产生了电流 ， 该电流通过导电溶液通道流到第二个电极 。 当该电流到达第二个电极时 ， 它会改变电极的电导率 ， 也就是改变电极传递信息的能力 。 第二步类似于停泊的多巴胺“船” ， 它改变了生物神经元将来放电的可能性 。
换句话说 ， 生物神经元释放的多巴胺与人工神经元相互作用 ， 从而使这些化学物质以某种持久的方式改变了下游神经元的行为 ， 这是对大脑内部学习过程的一种简单模仿 。
但这不是全部 。 化学信号在大脑中是非常强大的 ， 因为它具有灵活性 。 例如 ， 多巴胺在返回上游神经元之前 ， 只会附在下游神经上一小会——也就是说 ， 它被循环或者被破坏 ， 这意味着它的作用是短暂的 ， 这给了神经电路喘息的空间来重新调整它的活动 。
斯坦福大学的研究小组还尝试在其混合电路中重建这个怪癖 。 他们制作了一条微电流通道 ， 可以在人工神经元完成回收工作后 ， 将多巴胺及其副产品从人工神经元中带走 。
把它们放在一起
在确认了生物细胞可以再人造细胞上愉快生存后 ， 研究小组进行了一些测试 ， 以查看混合电路是否能够“学习” 。 他们首先使用了电学方法激活了生物多巴胺神经元 ， 然后观察人工神经元 。 在实验之前 ， 团队并不太确定会发生什么 。 从理论上讲 ， 就像学习一样 ， 多巴胺会改变人工神经元的电导率 。 但是 ， 研究作者斯科特·基恩表示：“直到在实验室看到它之前 ， 我们都很难知道是否能够获得我们在纸上预测的结果 。 ”
然而 ， 在第一次尝试中 ， 研究小组发现化学信号的爆发能够长期改变人工神经元的电导率 ， 这与神经科学的教条“神经元一起放电 ， 就连在一起”类似 。 用化学物质激活上游神经元也以模仿学习的方式改变人工神经元的电导率 。
基恩说：“那时 ， 我们意识到它在模仿突触长期学习过程中的潜力 。 ”
通过电子显微镜的观察 ， 研究小组发现 ， 与生物突触相似的是 ， 经过一些校准后 ， 混合突触能够以大脑相似的时间尺度有效地回收多巴胺 。 通过研究人工神经元中多巴胺的累积量 ， 研究小组发现了人工神经元大致模仿了一种名为“尖峰学习”的学习规则 ， 这是受大脑计算启发的机器学习的热门方向 。
一个混合神经的未来？
不幸的是 ， 对于“半机械”爱好者来说 ， 这项工作仍处于起步阶段 。
一方面 ， 与生物神经相比 ， 人工神经元仍然太过庞大 。 这意味着他们无法从单个多巴胺“船”上捕获和翻译信息 。 也还不清楚混合突触是否以及如何在活脑内部发挥作用 。 鉴于在我们大脑中有数十亿突触在活动 ， 要找到并替换那些需要替换的突触 ， 并能够自然地控制记忆和行为 ， 也是一个巨大的挑战 。
也就是说 ， 我们正一步一步接近全功能的人工-生物混合电路 。
【极速聊科技|迈向脑机接口！科学家使用多巴胺无缝连接人工神经元和生物神经元】“这项工作中介绍的由神经递质介导的神经形态装置构成了人工神经网络的基础构件 ， 可以根据来自活神经元的生物反馈直接调节 。 ”作者总结说 ， “这是实现下一代自适应生物杂交接口的关键的第一步 。 ”
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