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计算机模拟细胞 斯坦福,斯坦福：开发出与活细胞一道工作的人工突触，可模仿大脑平行操作...

斯坦福大学的科学家们开发出了与活细胞一起工作的人工神经突触，该人工突触是一种与活细胞整合的生物杂交装置，可以同时进行编程以模仿大脑的平行操作。

在2017年，斯坦福大学的研究人员曾提出了一种装置，该装置可以模仿大脑的高效和低能量的神经学习过程，是一种神经突触的人工版本，由有机材料制成。突触是神经递质穿越神经元之间进行交流的间隙。现在，研究人员进一步发展了这一研究，将九个人工突触排列成阵列，显示可以同时进行编程以模仿大脑的平行操作。

他们发表于今天的《自然-材料》上的最新研究成果论文表明，测试了人工突触的第一个生物杂交版本，并证明了它可以与活细胞进行通讯。这种设备产生的未来技术可以通过直接响应来自大脑的化学信号来发挥作用。该研究与意大利理工学院(Istituto Italiano di Tecnologia)和荷兰埃因霍温科技大学(Eindhoven Technology University)的研究人员合作进行。

斯坦福大学材料科学与工程学教授，该论文共同资深作者、阿尔贝托·萨莱奥说：“该研究确实突出了我们用于与生物相互作用的材料的独特优势。” “细胞很高兴坐在柔软的聚合物上。但是相容性更深：这些材料与神经元自然使用的相同分子一起工作。”

虽然其它与大脑集成的设备需要电信号来检测和处理大脑的信息，但该设备与活细胞之间的通信是通过电化学进行的，就好像该材料只是从邻居神经那里接收信息的另一个神经元一样。

生物混合人工突触由两个柔软的聚合物电极组成，两个电极之间被充满电解质溶液的沟槽隔开，该沟槽起着突触间隙的作用，该间隙将大脑中通讯神经元分开。当活细胞放在一个电极的顶部时，那些细胞释放的神经递质可以与该电极反应产生离子。这些离子穿过沟槽到达第二电极并调节该电极的导电状态。这些变化中的一些被保留下来，模拟了自然界中发生的学习过程。

斯坦福大学研究生、论文共同主要作者、斯科特·基恩说：“在生物突触中，基本上所有事物都由突触连接处的化学相互作用所控制。每当细胞彼此通信时，它们使用化学过程。” “能够与大脑的自然化学相互作用，为该设备增加了实用性。”

这个过程模仿了生物突触中的相同学习过程，这种学习在能量方面非常高效，因为计算和内存存储是一个动作。在更传统的计算机系统中，首先处理数据，然后再将其移动到存储中。

为了测试他们的装置，研究人员使用了能释放神经递质多巴胺的大鼠神经内分泌细胞。在进行实验之前，他们不确定多巴胺将如何与材料发生相互作用，但在第一个反应后，他们发现装置的状态发生了永久性变化。

研究人员说：“我们知道反应是不可逆的，因此可以永久改变设备的导电状态是合理的。” “但是，直到我们在实验室中看到它，才知道我们是否会达到纸上预测的结果。我们意识到这种模仿突触的长期学习过程的潜力。”“这证明了将化学和电融为一体的交流是可能的。” “可以说这是迈向脑机接口的第一步。”

现在，研究人员已经成功测试了他们的设计，他们正在寻找未来研究的最佳途径，其中可能包括在脑启发计算机、脑机接口、医疗设备、神经科学新研究工具上等的工作可能性。他们正在研究如何使设备在包含各种细胞和神经递质的更复杂的生物环境中发挥更好的功能。

参考：A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity, Nature Materials (2020). www.nature/articles/s41563-020-0703-y

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