英国巴斯大学的研究团队近日研发出一种可再现生物神经元电行为的硅芯片。利用这种方法，科学家有望开发出仿生芯片来修复神经系统中因病导致功能异常的生物电路，该研究成果发表于12月初的《自然·通讯》杂志。 ... ...
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文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13177-3
图1. 仿生硅基离子通道 背景 科学家们一直在研究制造更加类似生物神经元的芯片模型。但是在现代硅片上模拟天然构造依然存在着一定缺陷。芯片虽然在处理某些计算任务时可能比任何人都要快数百万倍，但神经元芯片的响应活动一旦与真实生物神经元差之毫厘，最终执行效果很可能将谬以千里。 英国巴斯大学物理系阿兰·诺格里特教授团队与布里斯托大学、苏黎世大学和奥克兰大学等合作，设计了一种微电路模仿离子通道，可以以类似生物神经元的方式整合原始神经刺激并做出响应。之后，研究团队在硅芯片中再现了大鼠单个海马神经元和呼吸神经元的活动。通过60个电刺激方案，他们发现固态神经元产生的电响应，几乎和生物神经元一模一样。 研究人员表示，呼吸神经元（比如他们建模的神经元）耦合呼吸节律和心脏节律与呼吸性窦性心律不齐有关。因年龄或疾病而丧失这种耦合是睡眠呼吸暂停和心力衰竭的一种预后。他们认为，一种像呼吸神经元一样适应生物反馈的装置或许可以在未来提供一种潜在的治疗方法。 摘要 生物电子医学正在推动对神经形态集成电路的需求，这种电路能整合原始的神经刺激，并对生物神经元做出相同的反应。然而，设计这样的电路仍然是一个挑战。在此，我们估计了高非线性电导模型的参数，并从头推导了模拟固态电子中包含的胞内电流和膜电压的方程。通过配置单个离子通道的固态神经元的参数估计从大规模同化电生理记录，我们的硅基芯片成功地实现了完整的动态海马和呼吸神经元特性。非线性模型的优化是模拟电路编程的一种有效方法。这种方法提供了一种修复病变神经环路的方法，并利用能够适应生物反馈的生物医用植入物来模拟其功能。 Bioelectronic medicine is driving the need for neuromorphic microcircuits that integrate raw nervous stimuli and respond identically to biological neurons. However, designing such circuits remains a challenge. Here we estimate the parameters of highly nonlinear conductance models and derive the ab initio equations of intracellular currents and membrane voltages embodied in analog solid-state electronics. By configuring individual ion channels of solid-state neurons with parameters estimated from large-scale assimilation of electrophysiological recordings, we successfully transfer the complete dynamics of hippocampal and respiratory neurons in silico. The solid-state neurons are found to respond nearly identically to biological neurons under stimulation by a wide range of current injection protocols. The optimization of nonlinear models demonstrates a powerful method for programming analog electronic circuits. This approach offers a route for repairing diseased biocircuits and emulating their function with biomedical implants that can adapt to biofeedback. |
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