人造神經元(圖:University of Bath)

英國巴斯大學(University of Bath)與布里斯托爾大學(Universities of Bristol)的聯合研究團隊,成功開發出能模擬生物神經的人造神經元晶片,而且功耗僅為一般微處理器的十億分之一,使其有望真正應用於醫學研究,甚至是治療心臟衰竭(heart failure)、阿茲海默症等神經退化疾病。該研究已發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

人造神經元晶片

開發出能模擬生物神經功能的人造神經元是近十年來醫學研究領域的主要目標之一,其能用於取代功能失常或死亡的生物神經,產生正常神經該有的反應訊號。例如心臟衰竭發生時,大腦中的神經無法對神經系統發出適當的回饋訊號,導致心臟在未收到正常神經訊號情況下而逐漸衰竭。

但模擬神經的反應是相當複雜的工程,其訊號為非線性的,如輸入訊號增長為兩倍時,神經的輸出並不一定會成比例成長,有可能是三倍,也有可能是任何的數字。不過研究團隊成功推導出神經元在收到其他訊號時的反應公式,並設計出能準確模擬生物離子通道(ion chaneels)的矽晶片,以此證明這種人造神經元在任何刺激下都能產生與生物神經元相似的反應。

未來發展

該團隊藉由這種人造神經元晶片,完整複製實驗鼠的海馬迴神經(hippocampal neurons)與呼吸系統神經(respiratory neurons)的複雜反應機制。帶領此研究的阿蘭·諾加雷特教授(Alain Nogaret)表示:「在這之前,生物神經元對我們而言就像個黑盒子一般,但我們在此研究中成功打開了這個黑盒子。我們的研究將對該領域的研究有很大的影響,因為它提供一種可靠的方法產生生物神經元的電流反應。」

關於這種人造神經元晶片可能的應用方式,諾加雷特教授也提出他的看法,他表示:「例如我們可能設計出一個更智慧的起搏器(pacemakers),使其不僅可以刺激心臟以穩定速度跳動,也能利用這些神經元產生即時的反應——就如同健康的心臟該有的功能一樣。」若能善加利用該晶片模仿出的神經反應,將是神經學研究與醫療上的一大進展。

參考資料:

  1. Abu-Hassan, K., Taylor, J. D., Morris, P. G., Donati, E., Bortolotto, Z. A., Indiveri, G., … Nogaret, A. (2019). Optimal solid state neurons. Nature Communications10(1). doi: 10.1038/s41467-019-13177-3
  2. staff, S. X. (2019, December 3). World first as artificial neurons developed to cure chronic diseases. TechXplore
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