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科学家创建“神经电子互联网” 实现脑机交互

2020-03-16 14:40:41  来源:雷锋网

大脑与互联网建立连接、实现数据实时交互,已经不再只是一种幻想了。

实际上,大脑的功能依赖于神经元回路,神经元之间相接触的部位就是突触,在结合信息传递与记忆存储、处理方面起着关键作用。而电子学在模拟神经元和突触以及脑机接口方面取得了重要进展。

近日,英国、意大利和瑞士的研究人员共同创建了一个混合神经网络,利用互联网将信号从生物神经元传输到人工神经元。当地时间2020年2月25日,科学杂志《自然·科学报告》刊登了该研究团队名为 Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons(记忆突触连接大脑和硅尖峰神经元)的论文。

英意瑞科学家创建“神经电子互联网” 实现脑机交互

通过互联网连接生物神经元和人工神经元

雷锋网了解到,该论文主要介绍了模拟真实突触的传递和可塑性的大脑和硅尖峰神经元之间的记忆联系。

值得一提的是,这项研究由三国研究者共同完成:

英国南安普敦大学开发了纳米级忆阻器,模仿突触;

意大利帕多瓦大学培养了生物(老鼠)神经元;

瑞士苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院合作,在硅微芯片上创建了人工神经元,通过使用忆阻器创建的混合神经网络,使得人工神经元和生物神经元能够双向实时通信。

具体来讲就是,研究人员利用与金属薄膜氧化钛微电极配对的忆阻器,将硅神经元连接到老鼠海马体的神经元上(如下图所示),从而证明了一个三神经元脑-硅网络,其中忆阻突触经历了由神经元放电速率驱动的长期增强或抑制。

英意瑞科学家创建“神经电子互联网” 实现脑机交互

根据上述描述,我们不难看出这项研究中的一个关键元素便是纳米级忆阻器。

通常情况下,尖峰处理由基于数字冯·诺依曼(Von Neumann)的硬件运行统计算法来管理。但是,依赖于近生物的尖峰信号及处理策略,神经形态电子器件和结构可以说是相对更好的计算选择。

以此为基础,研究人员发现了纳米级忆阻器模仿突触的可塑性,而用来模拟脑突触的尖锋电位传递和可塑性过程的,正是钛连接。

如下图所示,这个系统其实是一条单向电路——钛忆阻器 MR1存储突触权重作为阻性状态,超薄电容微电极 CME 将刺激传递给生物神经元,并通过记忆权重进行调节。BN 尖峰由膜片钳微电极记录,然后由忆阻器 MR2处理,并且经由电流注入,最终传输到第二硅神经元 ANpost。

英意瑞科学家创建“神经电子互联网” 实现脑机交互

而另外一个重要元素则是人工神经元。据悉,人工神经元被排列在硅微芯片上。类似于生物神经元,人工神经元能够发送、接收可读取和测量的信号。

雷锋网了解到,这是全球首次以这样的方式实现了人工神经元和生物神经元的跨国连接。研究人员同时也指出,希望这项研究成为神经电子互联网的开端。

对于这一突破,南安普顿大学纳米技术教授兼电子前沿中心主任 Themis Prodromakis表示:

我们对新进展感到非常兴奋。一方面,它为自然进化过程中从未遇到过的新场景奠定了基础,在该场景中生物和人工神经元相互连接并在全球网络中进行交流;另一方面,它为神经修复技术带来了新的前景,为研究用 AI 芯片代替大脑功能异常的部分铺路。

马斯克:构建第三层大脑

实际上,上述「神经电子互联网」也是特斯拉公司 CEO、SpaceX公司 CEO 兼 CTO、太阳城公司董事会主席埃隆·马斯克(Elon Musk)的一个脑洞。

众所周知,人类大脑分为两层:

边缘系统:用于控制情绪、长期的记忆和行为等;

大脑皮质:处理复杂思想、推理和长期规划。

对此,马斯克认为,实际上我们的大脑还有第三层——人类已经离不开的计算机、手机等数字化设备。因此他提出了“脑机接口”的概念,让人脑与电脑相连,完善人类大脑的第三层,对另外两层进行补充。

作为一个实干家,2017年马斯克便建立了脑机接口公司 Neuralink。

Neuralink 成立之初,旨在帮助患有严重脑损伤的人(如中风、癌症、先天性疾病患者等)。在大脑中植入设备后,患者即可自行控制手机或计算机。

2019年7月16日 Neuralink的发布会上,马斯克透露已经有一只参与试验的猴子能够用大脑来控制电脑了,同时还介绍了已推出的主要技术(详见雷锋网此前报道):

宽度仅为4-6 μm、能够传输大量数据的 Thread;

神经外科机器人,每分钟能向大脑插入包含192个电极的6个 Thread;

定制芯片,能更好地读取、清理、放大来自大脑的信号;

N1传感器,可嵌入人体并以无线方式传输数据,读取比当前基于有线系统更少的神经元——人脑中将植入四个传感器(三个位于运动区域,另一个位于体感传感器区域),它们无线连接到安装在人耳后的外部设备,受 iPhone 应用程序控制。

实际上,Neuralink已经开始在小白鼠上进行试验,如果平台稳定的话,将通过机器人手术对 Thread 进行植入。当然,这一过程需要美国食品药品监督管理局的审核。

不过,研究脑机接口的并非只有 Neuralink公司,Facebook 的 Building 8部门、麻省理工学院等大学、研究机构目前都在做着这方面的努力。

在雷锋网编辑看来,考虑到包括无线传输在内的工程阻碍、人类对大脑的认识程度、公众对这类技术安全性的担忧等等,实现脑机连接绝非易事。

正如马斯克本人所说:

科技不会自己进步,科技进步需要付出,需要远大的目标和大量的辛勤工作,需要有伟大的梦想来激发人们去创造。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41598-020-58831-9

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