國內團隊開發化學介導的人工神經元，可與大鼠腦細胞交換神經遞質

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腦機接口通常依靠電生理信號來解釋和傳輸神經信息。然而，在生物系統中，神經遞質是基於化學的中間神經元信使。這種不匹配可能會引起對傳輸信息的錯誤解釋。

在這裡，來自南京郵電大學、南京醫科大學以及南洋理工大學等高校的合作團隊，報告了一種化學介導的人工神經元，它可以接收和釋放神經遞質多巴胺。人工神經元使用碳基電化學傳感器檢測多巴胺，然後使用具有突觸可塑性的憶阻器處理感覺信號，然後通過熱響應水凝膠刺激多巴胺釋放。

該系統可以響應大鼠嗜鉻細胞瘤細胞的多巴胺胞吐作用，並釋放多巴胺以激活嗜鉻細胞瘤細胞，形成類似於中間神經元的化學通訊迴路。實驗表明，該人工神經元可以觸發鼠標腿和機械手的可控運動。

該研究以「A chemically mediated artificial neuron」爲題，於2022 年 8 月 8 日發佈在《Nature Electronics》。

腦機接口（BMI）可以通過神經信息的解釋和傳輸來彌合人與機器之間的差距。這是神經元康復、機器人構建以及最終意識檢測和控制的關鍵過程。當前最先進的 BMI 技術依賴於電生理信號的轉換，例如表面（離體）或細胞內（體內）生物電勢。

然而，在生物神經元網絡中，很大一部分智能信息——包括記憶和情感——是由神經遞質等化學分子編碼或傳遞的。這就提出了一個問題，即電生理信號的 BMI 是否可以全面解釋人類的意識。通過構建具有化學通信能力並可以補充當前 BMI 方法的神經遞質介導的 BMI，可以通過構建神經遞質介導的BMI來緩解此問題。

在人類大腦中，神經元在稱爲突觸的連接處相互交流（圖 1a）。突觸間隙中的神經遞質介導神經突觸可塑性，並引起情緒和智能行爲。爲了與生物神經元進行化學交流，生物電子學至少應具備三個基本功能：神經遞質識別、突觸可塑性、動作電位的激發和神經遞質的釋放。

圖示：神經遞質介導的人工神經元的概念示意圖。（來源：論文）

爲了構建智能系統，已經開發了許多神經形態裝置，例如相變神經元、人工傳入神經、人工傷害感受器和光電感覺運動突觸。這些系統僅對電或物理信號（例如壓力、溫度和光刺激）有響應，不能直接與生物神經元交互，也不能直接感應神經遞質。

據報道，一種有機突觸晶體管可以提供神經遞質傳感，其中神經遞質驅動的氧化調節了突觸後通道的電導。然而，由於缺乏閾值尖峰和神經遞質釋放功能，與生物神經元建立完整的神經遞質通信迴路仍然是一項挑戰。

因此，南京郵電大學、南京醫科大學以及新加坡南洋理工大學等高校的合作團隊，開發了一種化學介導的人工神經元，可用於 BMI 中的雙向通信，包括以神經遞質作爲界面信使接收和發送化學信息。

人工神經元實現了神經遞質識別、突觸可塑性、閾值放電和神經遞質釋放等基本功能。多巴胺 (DA)——獎勵驅動學習中的激勵刺激——被用作我們系統中的神經遞質模型。

圖示：人工神經元單個構件的表徵。（來源：論文）

該團隊的人工神經元是一個完全集成的順序操作系統，包含三個主要組件：DA 電化學傳感器，使用碳納米材料，線性檢測範圍從 1.0 μM 到 1.5 mM，跨越生物突觸間隙中的 DA 濃度，靈敏度爲 419.9 μAcm^ -2mM^-1；具有長期可塑性（LTP）和短期可塑性（STP）的憶阻器器件；以及 DA 封裝的熱響應水凝膠，可在 37.5 - 43.5 °C 的溫度窗口中釋放 DA。

圖示：具有感知記憶和憶阻器介導的 DA 釋放行爲的化學介導的人工突觸。（來源：論文）

人工神經元中的化學信息流遵循三個步驟：DA 分子以電流信號響應作爲輸出激活傳感器；通過電流信號對憶阻器的內阻狀態進行自適應調製；當憶阻器電阻達到目標值時開啓加熱器，從而觸發DA從水凝膠中釋放。

圖示：中間神經元的系統演示。（來源：論文）

人工神經元提供了生物中間神經元的基本功能，對數十微摩爾的 DA 敏感，並能夠在相同濃度範圍內適應性地釋放 DA。研究人員表示，人工神經元可以響應來自含兒茶酚胺的大鼠嗜鉻細胞瘤（PC12）細胞的 DA 胞吐作用並釋放 DA 以激活 PC12 細胞，從而實現類似於中間神經元的化學通訊。

圖示：神經界面的人工神經元。（來源：論文）

另外，研究人員通過設計實驗，證明了人工神經元可以使 DA 刺激觸發鼠標腿或機器人手的可控反饋。

「大腦的母語是化學語言，但目前的腦機接口都使用電子語言。」該研究的通訊作者，南京醫科大學的胡本慧教授說，「所以我們設計了一種人工神經元來複制真實神經元的交流方式。」

「這實際上有很大的潛力可以擴展到更復雜的學習系統。你可以在這裡做很多很酷的新事情。」荷蘭埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology）的 Yoeri van de Burgt 評價道，雖然該設備的體積龐大使其不適用於任何當前的腦機接口應用，但它可以通過兩種化學方式進行通信這一事實可能使其適用於與身體的許多不同接口，例如在假肢設備中。

ScienceAI 認爲，該方法向化學 BMI 邁出了重要一步，爲神經假肢、人機交互和交互式物聯網系統的發展提供了新途徑。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00803-0

相關報道：https://www.newscientist.com/article/2332554-artificial-neuron-swaps-dopamine-with-rat-brain-cells-like-a-real-one/