Nature子刊突破！开发与活细胞一起工作的人工突触

2020年6月25日讯 /生物谷BIOON /——2017年，斯坦福大学(Stanford University)的研究人员展示了一种新设备，它模仿了大脑高效、低能量的神经学习过程。这是一个人造的突触--神经递质在神经元之间传递信息的间隙--由有机材料制成。2019年，研究人员将9个人工突触组装成阵列，表明它们可以同时被编程来模仿大脑的并行操作。
现在，在6月15日发表在《自然材料》(Nature Materials)上的一篇论文中，他们测试了首个生物杂交版本的人工突触，证明它可以与活细胞交流。该设备的未来技术可以直接对大脑发出的化学信号做出反应。这项研究是与意大利技术研究所和荷兰埃因霍温理工大学的研究人员合作进行的。
图片来源：Nature Materials
斯坦福大学材料科学与工程教授、该论文的共同高级作者Alberto Salleo说："这篇论文确实突出了我们使用的材料在与生命物质相互作用方面的独特力量。细胞很乐意坐在柔软的聚合物上。但相容性更深入：这些材料与神经元自然使用的相同分子起作用。"
当其他的大脑集成装置需要一个电信号来检测和处理大脑的信息时，这个装置和活细胞之间的通信是通过电化学来进行的--就好像这个材料只是另一个神经元从它的邻居那里接收信息一样。
神经元如何学习
生物杂交人工突触由两个柔软的聚合物电极组成，电极之间有一条充满电解质溶液的沟槽，这条沟槽起到突触间隙的作用，将大脑中通讯的神经元分隔开。当活细胞被放置在一个电极上时，这些细胞释放的神经递质会与电极发生反应，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。其中一些变化被保留下来，以模拟自然界中发生的学习过程。
"在生物突触中，基本上所有的东西都是由突触连接处的化学作用控制的。每当细胞相互交流时，它们都在使用化学物质，"Scott Keene说，他是斯坦福大学的研究生，也是这篇论文的主要作者之一。"能够与大脑的自然化学反应使该设备更加实用。"
这个过程模仿了在生物突触中看到的那种学习，在能量方面是非常高效的，因为计算和记忆存储发生在一个动作中。在比较传统的计算机系统中，先对数据进行处理，然后再将其移到存储器中。
为了测试他们的装置，研究人员使用了释放神经递质多巴胺的老鼠神经内分泌细胞。在他们进行实验之前，他们不确定多巴胺将如何与他们的材料相互作用，但他们看到了第一次反应时设备状态的永久变化。
Keene说："我们知道这个反应是不可逆的，所以它会导致设备的导电状态发生永久性变化。但是，直到我们在实验室看到它发生，我们才知道我们是否能实现我们在纸上预测的结果。那时我们意识到它在模仿突触长期学习过程中的潜力。"
图片来源：Nature Materials
第一步
这种生物混合设计还处于早期阶段，目前研究的主要焦点仅仅是让它发挥作用。
"这证明了融合化学和电的交流是可能的，"Salleo说。"你可以说这是迈向脑机接口的第一步，但这只是非常微小的第一步。"
现在，研究人员已经成功地测试了他们的设计，他们正在为未来的研究找到最好的路径，这可能包括在大脑启发计算机、脑机接口、医疗设备或神经科学的新研究工具上的工作。他们已经在研究如何使该设备在包含不同种类细胞和神经递质的更复杂的生物环境中更好地发挥作用。（生物谷Bioon.com)
参考资料：
Researchers develop artificial synapse that works with living cells
Fast， efficient and durable artificial synapse developed
Elliot J. Fuller et al. Parallel programming of an ionic floating-gate memory array for scalable neuromorphic computing， Science (2019). DOI： 10.1126/science.aaw5581
A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity， Nature Materials (2020). DOI： 10.1038/s41563-020-0703-y ， www.nature.com/articles/s41563-020-0703-y（润宝医疗网）