人工有机神经元高度模仿生物神经细胞的特性

瑞典林雪平大学 (LiU) 的研究人员创造了一种人工有机神经元，它非常模仿生物神经细胞的特征。这种人工神经元可以刺激自然神经，使其成为未来各种医学治疗的有前途的技术。

LOE 有机电子实验室继续致力于开发功能越来越强大的人工神经 细胞。2022 年，由西蒙娜·法比亚诺 (Simone Fabiano) 副教授领导的一组科学家展示了如何将人造有机神经元整合到活的食肉植物中，以控制其花胶的开合。这种合成神经细胞符合将其与生物神经细胞区分开来的 20 个特征中的两个。

在他们发表在《自然材料》杂志上的最新研究中， LiU 的同一位研究人员开发了一种新的人工神经细胞，称为基于电导的有机电化学神经元或 c-OECN，它密切模仿了 20 种表征生物特征的神经特征中的 15 种神经细胞，使其功能更类似于天然神经细胞。

“创建有效模拟真实生物神经元的人工神经元的关键挑战之一是结合离子调制的能力。由硅制成的传统人工神经元可以模拟许多神经特征，但不能通过离子进行通信。相比之下，c-OECN 使用离子来展示了真实生物神经元的几个关键特征，”LOE 有机纳米电子学组首席研究员 Simone Fabiano 说。

2018 年，林雪平大学的这个研究小组是最早开发基于n 型导电聚合物的有机电化学晶体管的研究小组之一，n 型导电聚合物是一种可以传导负电荷的材料。这使得构建可印刷的互补有机电化学电路成为可能。从那时起，该小组一直致力于优化这些晶体管，以便它们可以在印刷机中印刷在薄塑料箔上。因此，现在可以在柔性基板上打印数以千计的晶体管，并用它们来开发人造神经细胞。

在新开发的人工神经元中，离子用于控制电流通过 n 型导电聚合物的流动，从而导致设备电压出现尖峰。这个过程类似于生物神经细胞中发生的过程。人工神经细胞中的独特材料还允许电流以几乎完美的钟形曲线增加和减少，类似于生物学中发现的钠离子通道的激活和失活。

Simone Fabiano 说：“其他几种聚合物表现出这种行为，但只有刚性聚合物能够抵抗无序，从而实现稳定的设备运行。”

在与卡罗林斯卡研究所 (KI) 合作进行的实验中，新的 c-OECN 神经元与小鼠的迷走神经相连。结果表明，人工神经元可以刺激小鼠的神经，使它们的心率发生 4.5% 的变化。从长远来看，人工神经元可以刺激迷走神经本身这一事实可能为各种形式的医疗中的基本应用铺平道路。一般来说，有机半导体具有生物相容性、柔软性和可塑性等优点，而迷走神经在人体免疫系统和新陈代谢等方面起着关键作用。

研究人员的下一步将是降低人工神经元的能量消耗，该能量消耗仍远高于人类神经细胞。要人工复制自然，还有很多工作要做。

“关于人类大脑和神经细胞，我们还有很多不完全了解。事实上，我们不知道神经细胞如何利用这 15 个已证明的特征中的许多特征。模仿神经细胞可以使我们理解更好地开发大脑并构建能够执行智能任务的电路。我们还有很长的路要走，但这项研究是一个良好的开端，”该科学论文的主要作者、博士后 Padinhare Cholakkal Harikesh 说。