探索新的納米技術(shù)解決方案：醫(yī)療應(yīng)用仿生芯片

第一個(gè)人工數(shù)字神經(jīng)元已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建，目的是恢復(fù)失去的大腦功能?？茖W(xué)家計(jì)劃使用這些芯片來(lái)治療神經(jīng)退行性疾病。

阿爾茨海默氏病是一種神經(jīng)退行性疾病，涉及神經(jīng)元的進(jìn)行性死亡，并伴有認(rèn)知，行為和運(yùn)動(dòng)方面的后果。這有點(diǎn)像奪走受影響者的靈魂，不僅對(duì)患者而且對(duì)他們的家人都造成了破壞。阿爾茨海默氏病仍然難以治療，但研究人員正在探索新的納米技術(shù)解決方案，可能有助于改善患病者的生活質(zhì)量。

由英國(guó)巴斯大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了首批人造神經(jīng)元，這些微型神經(jīng)元旨在修復(fù)神經(jīng)回路并恢復(fù)失去的功能。科學(xué)家計(jì)劃使用這種仿生芯片來(lái)治療與心臟有關(guān)的疾病和神經(jīng)退行性疾病。

根據(jù)Trust Source在2016年的一項(xiàng)研究，每隔66秒就會(huì)有人患上阿爾茨海默氏病。分析人士指出，總共有540萬(wàn)人患有這種疾病。它的特征是進(jìn)行性記憶喪失和其他認(rèn)知功能的退化，損害了日?；顒?dòng)的進(jìn)行。盡管有臨床療法可以延長(zhǎng)個(gè)人能夠進(jìn)行日?；顒?dòng)的時(shí)間，但目前尚無(wú)治愈方法。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在研究生物細(xì)胞的電學(xué)性質(zhì)以了解細(xì)胞內(nèi)動(dòng)力學(xué)。迄今為止，測(cè)量控制離子電流動(dòng)態(tài)和離子電導(dǎo)非線性的微觀參數(shù)的困難阻礙了構(gòu)建定量計(jì)算模型的努力。這使得很難創(chuàng)建能夠復(fù)制生物神經(jīng)元確切反應(yīng)的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備。

對(duì)用于治療慢性疾病的可植入生物電子學(xué)的日益關(guān)注，正推動(dòng)著技術(shù)朝著精確模擬生物電路的低功率固態(tài)模擬器件發(fā)展。

無(wú)論系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度如何，模擬異步電子技術(shù)都是立即整合原始神經(jīng)刺激的最有前途的方法。此外，最近構(gòu)建定量神經(jīng)元計(jì)算模型的工作集中在將Hodgkin-Huxley（HH）模型推廣到多通道模型上。

巴斯大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與瑞士蘇黎世大學(xué)，新西蘭奧克蘭大學(xué)和一些意大利研究人員的同事緊密合作。他們共同設(shè)計(jì)了第一個(gè)人工神經(jīng)元，旨在恢復(fù)各種神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥）所損害的功能。這項(xiàng)研究發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

阿蘭說(shuō)：“任何存在退化性疾病的地方，例如阿爾茨海默氏病，或者由于年齡，疾病或受傷而神經(jīng)元停止正常放電的地方，從理論上講，您可以用合成電路代替有故障的生物電路?！敝Z斯（Nogaret）是物理學(xué)家，曾在巴斯大學(xué)（University of Bath）主持該項(xiàng)目。

該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的芯片是基于硅的微型設(shè)備，其模仿生物離子通道模擬了真實(shí)神經(jīng)元的“功”。目的是使這些芯片修復(fù)由退行性疾病引起的損害，恢復(fù)神經(jīng)回路的主要功能。在實(shí)踐中，它們代表那里神經(jīng)管被打斷的連接橋。

這些芯片植入物僅消耗140納瓦，大約是微處理器所需能量的十億分之一。超低能耗非常重要，因?yàn)檫@意味著該芯片可以完全依靠能量收集而無(wú)需電池工作。

科學(xué)家的下一個(gè)目標(biāo)是研究侵入性較小且非手術(shù)的方法，以應(yīng)用深層腦刺激，使阿爾茨海默氏病患者更容易獲得這種治療，從而更容易支持人工智能的實(shí)施。

固態(tài)神經(jīng)元，或者說(shuō)是電子流，在廣泛的模擬大腦環(huán)境的當(dāng)前算法的刺激下，對(duì)生物神經(jīng)元的反應(yīng)幾乎相同。未來(lái)的挑戰(zhàn)肯定會(huì)涉及到響應(yīng)的效率以及通過(guò)深度學(xué)習(xí)工具對(duì)模型的改進(jìn)。第一個(gè)硅神經(jīng)元是所謂的生物電子醫(yī)學(xué)的一個(gè)例子，該生物電子醫(yī)學(xué)通過(guò)人工材料模仿自然的電路和過(guò)程。圖1和2顯示了科學(xué)文章中發(fā)表的電路分析和相關(guān)仿真的研究。

圖1：仿生固態(tài)離子通道。a）離子種類α的電導(dǎo)由激活門(mén)和失活門(mén)調(diào)節(jié)。凈離子電流Iα是激活電流（Im）和失活電流（Ih）之差。Heaviside函數(shù)θ（）指定當(dāng)Im> Ih時(shí)電流鏡輸出正電流Iα，否則返回0。b）神經(jīng)元膜的等效電路。c–g）（c）柵極恢復(fù)時(shí)間，（d）電流鏡，e）電流倍增，（f）跨導(dǎo)放大和（g）S型激活/失活的子電路框圖。圖片：自然通訊）

圖2：使用固態(tài)神經(jīng)元的雙胞胎實(shí)驗(yàn)。a）由電流協(xié)議刺激的超閾值振蕩與電流階躍（藍(lán)線）刺激的亞閾值神經(jīng)元的膜電壓（黑線）。b）模型針對(duì)不同電流預(yù)測(cè)的膜電壓。c）膜電壓振蕩的細(xì)節(jié)。d）預(yù)測(cè)的幾個(gè)狀態(tài)變量的時(shí)間依賴性。e）同化窗口上動(dòng)作電位的相圖。圖片：自然通訊）

所討論的芯片是在醫(yī)學(xué)中實(shí)施納米電子技術(shù)的一項(xiàng)技術(shù)飛躍。此外，有可能為幾個(gè)重要參數(shù)安裝GPS和其他控制解決方案。微電子和超低功耗解決方案的優(yōu)勢(shì)使所有這些成為可能。該芯片可以在特定時(shí)間激活各種信號(hào)，測(cè)量心率并獲取血壓，血糖水平等等。綜上所述，徹底治愈有史以來(lái)最嚴(yán)重的疾病的道路變得越來(lái)越有效。納米電子學(xué)的進(jìn)步正在將我們轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越“互聯(lián)”的數(shù)字人類。

編輯：hfy