發布時間: 2020-07-22 14:47

新的神經科學研究加速了大腦的仿生潛能

光遺傳學使人工和生物神經網絡能夠進行通信。

生物神經網絡能被人工神經網絡控制嗎？最近，開拓性的大腦研究人員在科學報告中發布了壹項研究，該研究利用光遺傳學證明了人工神經元網絡與生物網絡之間的實時通信。

在這項研究中，研究人員在多電極陣列（MEA）上培養了壹個體外生物神經元網絡，並在現場可編程門陣列（FPGA）板上運行人工尖峰神經網絡（SNN）。FPGA板是具有可配置邏輯塊和互連電路的流行半導體器件。這些低功耗的數字系統板非常適合生物雜交實驗，並且可以實時運行。

研究中使用了壹個由100個神經元（80%興奮性，20%抑制性）和7700個突觸組成的尖峰神經元網絡（SNN）。研究小組利用人工尖峰神經網絡（SNN）創造神經活動來模擬生物神經元網絡（BNN），然後實時編碼成藍光模式。

利用光遺傳學，研究小組在人工神經網絡和生物神經網絡之間建立了實時通訊。光遺傳學是壹種將遺傳密碼添加到目標細胞（如神經元）的過程，使其能夠產生壹種稱為視蛋白的光反應蛋白，這種蛋白通常從綠藻萊茵衣藻中提取，稱為通道視紫紅質2（ChR2）。當暴露在藍光下時，植入視蛋白的細胞可以打開。當燈被移除時，帶有視蛋白的電池關閉。這種革命性的方法使研究人員能夠激活和關閉植入視蛋白的細胞。

用溝道視紫紅質2變異株ChIEF轉化生物神經網絡。當藍光刺激神經元時，用鈣離子成像和多電極陣列記錄。

結果表明，與非線性的網絡爆發相比，利用尖峰網絡同步驅動生物同步對刺激強度的線性響應，可以實現從尖峰神經元網絡到生物神經網絡的高信息傳輸。

研究人員寫道：“這項研究為微型SNN在未來神經修復裝置中的應用提供了進壹步的證據，用於局部替換能夠在更大的腦網絡中進行通信的受損微電路。”。

根據Grand View Research 2016年6月的數據，到2024年，全球神經假體市場預計將達到146億美元。用人工神經元與生物細胞交流的希望之壹是恢復失去的大腦功能的潛力。

這項研究展示了壹個創新的交叉學科領域的結合，光遺傳學，電氣工程，生物醫學工程，神經科學和生物物理學。這項新發現進壹步提高了神經假體的潛力，以改善那些受到傷害或疾病影響的人的生活，通過科學為更美好的未來提供了壹線希望。

Cami Rosso writes about science, technology, innovation, and leadership.

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