Nature Electronics：逼真的人造神经元！

智能系统能够感知并对其环境做出有意义的行为，这取决于受神经系统内部工作启发的电子技术的发展。这种与生物共享类似计算原语（即基本生物计算功能）的神经形态电子也可以通过增强人工和生物域之间的通信来实现更有效的生物电子接口。神经元是神经系统的基本元件，其功能是神经形态电子学仿生的原型。神经元通过发射棘波序列相互交谈，并应对周围环境中的各种信号，因为它们对离子、神经递质甚至噪声都有选择性的反应。

基于非线性（负微分电阻）现象的人工神经元捕捉生物神经元的尖峰多样性。然而，这种人工神经元不能在生物环境中原位发挥作用。其他在生物环境中部分运作的当代神经元是非尖峰的，由多种成分组成，或无法捕捉神经元活动的多样性。这种缺乏生物现实主义导致人工和生物域之间的功能不匹配和信息丢失。

因此，人工神经元通常不能在生物环境中运行，这限制了它们与生物组件交互和提供逼真的神经元仿真的能力。

鉴于此，在寻求设计一种电子元件来模拟其生物对应物的尖峰特性的过程中，马克斯普朗克聚合物研究所Paschalis Gkoupidenis和布雷西亚大学Fabrizio Torricelli等人设计并实现了一种由有机软物质制成的人工神经元，它在潮湿的生物环境中运行并显示神经元信号的基本特性。

图|生物神经元和 OAN

这种有机人工神经元 (organic artificial neuron, OAN) 的活性材料是一种有机混合离子电子导体。由于这种混合传导，OAN 对生物环境中存在的常见离子、生物分子和神经递质物质有反应。研究人员在设计紧凑的OAN 的离子电子响应中引入了非线性（S 形负微分电阻）；到目前为止，这些非线性仅在固态人工神经元中有报道。

图|有机人工尖峰神经元

非线性与（生物）传感基元的结合使得能够实现具有多种尖峰现象和对生物学固有的常见离子和生化信号的响应的生物逼真人工神经元。与生物神经元类似，OAN 在生理和病理离子浓度范围内的液体中运行。当离子浓度在生物相关基线上发生微小变化时，OAN的尖峰活性可迅速改变（启动或抑制放电），而多巴胺等神经递质则启动或停止尖峰。OAN显示了生物神经元中也存在的各种尖峰模式，包括规则、半规则、间断、输入和时间依赖性放电。通过结合离子选择性膜，OAN表现出离子特异性振荡，因此模拟了生物离子通道的动力学。

图|基于原位尖峰的神经形态传感

最后，研究人员通过创建生物杂交神经元展示了OAN与上皮细胞膜的原位和协同操作，其中人工部分的发射特性通过生物膜的阻抗状态实时调节。

图|用于原位基于脉冲的神经形态生物接口的生物混合神经元

综上所述，研究人员开发了一种人工神经元，它可以准确地模拟神经元信号过程，并具有原位神经形态传感和生物接口的能力。这个概念是一个有价值的平台，可控地对生物电路进行逆向工程，了解它们在清晰的环境中的功能，并在体外模拟它们的生理和病理状态。这种人工成分也可能是开发用于恢复、替代甚至增强神经系统功能的生物现实神经元替代物的关键。

然而，该技术仍有改进的余地，因为 OAN 可以集成到更紧凑的形式中，并且可以对其指标进行微调以更紧密地匹配生物学领域。还应开发具有不同离子化学特性的新材料。尽管如此，针对实际应用的转化研究仍然需要付出相当大的努力来提高集成密度并减少设备间的可变性。一个基本的限制是与生物电路的哪些计算原语是逆向工程以实现高效人工组件的关键相关的不确定性。解决这个问题是一项持续的探索，需要工程师、材料科学家和生物学家之间开放的沟通渠道。

接下来的步骤包括引入更现实的功能，例如记忆、包含自我维持组件的代谢途径以及复杂神经元动力学的模拟。未来的研究方向将朝着高效、多模式和现实的生物界面发展。

参考文献：

Sarkar, T., Lieberth, K., Pavlou, A. et al. An organic artificial spiking neuron for in situ neuromorphic sensing and biointerfacing. Nat Electron (2022).

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00859-y

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