探索新的納米技術解決方案：醫療應用仿生芯片

第一個人工數字神經元已經在實驗室中創建，目的是恢復失去的大腦功能?？茖W家計劃使用這些芯片來治療神經退行性疾病。

阿爾茨海默氏病是一種神經退行性疾病，涉及神經元的進行性死亡，并伴有認知，行為和運動方面的后果。這有點像奪走受影響者的靈魂，不僅對患者而且對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解決方案，可能有助于改善患病者的生活質量。

由英國巴斯大學的科學家領導的國際研究小組在實驗室中創造了首批人造神經元，這些微型神經元旨在修復神經回路并恢復失去的功能?？茖W家計劃使用這種仿生芯片來治療與心臟有關的疾病和神經退行性疾病。

根據Trust Source在2016年的一項研究，每隔66秒就會有人患上阿爾茨海默氏病。分析人士指出，總共有540萬人患有這種疾病。它的特征是進行性記憶喪失和其他認知功能的退化，損害了日?；顒拥倪M行。盡管有臨床療法可以延長個人能夠進行日?；顒拥臅r間，但目前尚無治愈方法。

長期以來，人們一直在研究生物細胞的電學性質以了解細胞內動力學。迄今為止，測量控制離子電流動態和離子電導非線性的微觀參數的困難阻礙了構建定量計算模型的努力。這使得很難創建能夠復制生物神經元確切反應的神經形態設備。

對用于治療慢性疾病的可植入生物電子學的日益關注，正推動著技術朝著精確模擬生物電路的低功率固態模擬器件發展。

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

巴斯大學的科學家團隊與瑞士蘇黎世大學，新西蘭奧克蘭大學和一些意大利研究人員的同事緊密合作。他們共同設計了第一個人工神經元，旨在恢復各種神經退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y和帕金森氏癥）所損害的功能。這項研究發表在“自然通訊”雜志上。

阿蘭說：“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）是物理學家，曾在巴斯大學（University of Bath）主持該項目。

該團隊生產的芯片是基于硅的微型設備，其模仿生物離子通道模擬了真實神經元的“功”。目的是使這些芯片修復由退行性疾病引起的損害，恢復神經回路的主要功能。在實踐中，它們代表那里神經管被打斷的連接橋。

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，因為這意味著該芯片可以完全依靠能量收集而無需電池工作。

科學家的下一個目標是研究侵入性較小且非手術的方法，以應用深層腦刺激，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施。

固態神經元，或者說是電子流，在廣泛的模擬大腦環境的當前算法的刺激下，對生物神經元的反應幾乎相同。未來的挑戰肯定會涉及到響應的效率以及通過深度學習工具對模型的改進。第一個硅神經元是所謂的生物電子醫學的一個例子，該生物電子醫學通過人工材料模仿自然的電路和過程。圖1和2顯示了科學文章中發表的電路分析和相關仿真的研究。

圖1：仿生固態離子通道。a）離子種類α的電導由激活門和失活門調節。凈離子電流Iα是激活電流（Im）和失活電流（Ih）之差。Heaviside函數θ（）指定當Im> Ih時電流鏡輸出正電流Iα，否則返回0。b）神經元膜的等效電路。c–g）（c）柵極恢復時間，（d）電流鏡，e）電流倍增，（f）跨導放大和（g）S型激活/失活的子電路框圖。圖片：自然通訊）

圖2：使用固態神經元的雙胞胎實驗。a）由電流協議刺激的超閾值振蕩與電流階躍（藍線）刺激的亞閾值神經元的膜電壓（黑線）。b）模型針對不同電流預測的膜電壓。c）膜電壓振蕩的細節。d）預測的幾個狀態變量的時間依賴性。e）同化窗口上動作電位的相圖。圖片：自然通訊）

所討論的芯片是在醫學中實施納米電子技術的一項技術飛躍。此外，有可能為幾個重要參數安裝GPS和其他控制解決方案。微電子和超低功耗解決方案的優勢使所有這些成為可能。該芯片可以在特定時間激活各種信號，測量心率并獲取血壓，血糖水平等等。綜上所述，徹底治愈有史以來最嚴重的疾病的道路變得越來越有效。納米電子學的進步正在將我們轉變為越來越“互聯”的數字人類。

編輯：hfy