【科技动态】人造神经元、纳米内存和3D脑组织，让仿生脑不是梦
本文由杨静lillian（微信号：illian_yang_1111）授权转载
【静点评】今天腾讯科学报道了科学家首次在实验室培育出全功能神经细胞，且能够与真正的神经细胞进行沟通。5月份，有报道称澳大利亚科学家发明出纳米内存，这种比头发丝细一千倍的设备可以模拟人类脑部内扭曲交错神经通路的复杂工程。此发明使人类向最终研制出可像真实大脑般储存信息的仿真脑又迈近一步。2014年8月,还有报道称科学家造出功能性人造3D大脑，这个类似大鼠的脑组织甚至能在实验室里存活两个月。人类的智慧无极限，大脑的创新空间无限，生物与数字之间无界限！仿生脑不是梦。
【腾讯科学讯】对于神经系统科学家们来说，在实验室培育迷你大脑的工作似乎有点不尽如人意。现在有一群研究人员已经培育出一种人造神经细胞，功能完全与真正的神经细胞相同。令人惊叹的是，这种人造的神经细胞成功获得了神经细胞基本的信号传输功能，而且能够与真正的人体细胞进行交流，而这一切都是在人体外进行的。
与这种人造细胞所能实现的功能相比，我们更加憧憬这种人造神经细胞背后的理念。该研究团队估计，未来这种人造神经细胞或许能够真正用于治疗人类大脑所受的伤害或者疾病，替换那些受损的神经细胞。此外它们还有可能在修复学领域占据一定的地位，外科医生们或许可以把它们作为病人组织与假肢间沟通的桥梁，让病人更大程度的操控假肢。
神经细胞是一种特殊的细胞，它们的功能是处理并向其它细胞传递信息。为了进行交流，它们会通过突触释放出化学信号或者说神经传导物质。
这些化学物质会被毗邻的细胞接受，然后转变成为一种电信号或者动作电位，这种电信号会沿着神经细胞的细长轴突进行传递。当电信号传递到另一端时，会再次转变成为一种化学信号通过突触释放，准备再一次引发传递过程。
为了模拟这一过程，瑞典卡洛琳研究所的科学家们使用了传导分子（或者说高分子）来构造神经细胞，并将酶基生物传感器与有机生物电子学联系到一起。
这些传感器会接收研究人员在它们周围制造的化学信号，这些化学信号随后会通过一个电泵转变成为电信号。电泵用于控制带电离子的移动，这就像是存在于神经细胞细胞膜间的通道。最终电子信号会被转变成为一种化学信号。
研究人员认为，通过进一步的研究和微型化，这些细胞完全能够应用于实验室之外，甚至有可能应用于人体。
首席研究员Agneta Richter Dahlias在声明中称：
我们预测，未来通过增加无线通信概念，这种生物传感器能够放置在人体的某一部位，远距离诱发神经传导物质的释放。借助这项研究，未来我们有可能将其应用于神经系统疾病和研究。
通过使用纳米尺度的忆阻器矩阵，墨尔本皇家理工大学（RMIT）和加利福利亚大学的研究人员声称制造出了世界上第一个能模仿人脑模拟过程的电子记忆细胞。
该设备是通过多线程将变化的信息存储到记忆中，而不是像通常的计算机那样存储0和1的二进制编码；科学家相信这是走向人工仿生大脑的第一步。
这些研究者主要在RMIT的微纳米研究所工作，他们相信这项突破不仅离电子化人脑更近了一步，而且未来还将有助于为神经损伤疾病提供有效的治疗—如阿尔兹海默氏症和森氏病—可以利用人工大脑在人体外研究这些疾病。未来甚至还将有可能从这项技术中开发机器植入式系统，实现人类的机械化或半机械化。
“这是我们离开发具有记忆的类脑系统的最新成果，该系统将能够储存和学习模拟信息，并且能快速检索其存储的信息。”RMIT功能材料和微系统研究组的领导人Sharath Sriram博士说，“人脑是非常复杂的模拟计算机……人脑的进化基于其以往的经验，而直到现在，这项功能还不能通过数字电子技术来实现。”
使用忆阻器，科学家离仿生大脑又更近了一步
而这种设备中使用的忆阻器（也称：记忆电阻）是一种电阻值并不恒定的电子元件，其电阻值由先前流过的电流决定。换句话说，忆阻器能够“记住”施加到其上的电流的方向和大小。而且忆阻器的“记忆”也是非易失性的，上电关闭后，忆阻器的记忆会保留下来，只要新的电荷流过留下新的记忆。这样，忆阻器的表现就像是大脑的神经元，因为其中保留的信息时与输入称比例的，而不是数字计算机那样的0和1.
“随着金属原子的加入，我们已经在氧化材料中引入了故障和缺陷控制，释放了"忆阻"效应的全部潜力—其记忆元件的行为完全依赖于其过去的经历。”这项研究的领导者Hussein Nili博士说。“高密度和高速模拟内存的实现将为模拟高度复杂的生物神经网络开启道路。”
目前的成果利用到了RMIT的一项早期研究：利用比人头发薄10000倍的超薄氧化物材料来支招纳米尺度的超快存储元件。这些存储元件现在就构成了最近开发的模拟存储设备的基础，而且也将成为未来模拟复杂人工智能网络的基础，并最终产生一个仿生大脑。
“这样研究意义重大，因为我们实现了像人脑一样的存储和处理数据。”Nili博士说，“想一想原来的只能拍出黑白照片的照相机。而现在模拟处理能让存储不再只有黑白两色，我们现在是全彩的，有阴影、光线和质感，这是重要的一步。”
这一领域还有其它一些研究项目。比如说西北大学就不断提高使用忆阻器模拟人脑的发展预期。再加上RMIT的新突破和其它项目，未来的记忆设备还将为科学家的大脑实验和医学做出贡献，这样就没有必要在人类和动物身上进行风险极高的侵入性研究了。
“如果你能够在人体之外复制大脑，就能规避大脑实验和研究的伦理问题，同时还能让人类更加了解神经系统疾病。”Nili博士说。
这项研究的详细结果发表在Advanced nal Materials杂志上。
生物工程学家已经制备出一种功能性三维脑样组织，具有类似于大鼠脑组织的结构特征，可在实验室中存活两个多月的时间。
在2014年8月11日《PNAS》杂志发表的这项研究中，研究人员报道称，他们已经成功制备出功能性的三维脑样组织，可表现分明的灰白质，并能够在实验室存活两个多月的时间。
NIBIB组织工程学项目主任Rosemarie Hunziker博士称：“这项研究工作是一件很不容易的事情。它把对脑生理学的深刻理解和不断发展的生物技术工具结合在一起，来产生一种必要、充分的环境，用以模拟大脑功能。”
研究人员发现，在三维脑样组织的神经元中，参与神经元生长和功能的基因表达更高。此外，生长在三维脑样组织中的神经元，可保持稳定的代谢活性长达五周的时间，而生长在仅凝胶环境的神经元，在24小时内其健康开始恶化。
因为三维脑样组织显示类似于啮齿类动物大脑组织的物理特性，因此研究人员试图确定，是否可以用它来研究创伤性脑损伤。为了模拟创伤性脑损伤，他们从不同高度对脑样组织加以重力。然后，研究人员记录了神经元电活动和化学活性的变化，发现这与创伤性脑损伤动物研究中通常所观察到的反应相似。
Kaplan及其研究小组正在调查，他们如何可以使这种组织模型更加接近于大脑。在最近的报告中，研究人员证明他们可以改造圆环框架，改造后它由6个同心圆组成，每个都用不同类型的神经元填充。这样的安排可以模拟人类六层大脑皮质，在每一层中存在不同类型的神经元。
| 用丝蛋白制成的同心环状支架，可模拟新皮质的6个分层。每一环都被染成了不同颜色，并被分别填充了神经元。为研究正常脑功能以及脑损伤提供了一个高质量模型 |
| 神经元（黄绿色）依附在支架（蓝色）上的共聚焦显微镜图像。 |
| 扫描电子显微镜拍摄的丝蛋白支架的海绵状多孔结构。 |
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