学习脑化学-有机仿神经器件能够从细胞神经递质释放中直接输入！

来源：材料科学前沿

什么是脑化学？

脑化学（神经化学）是一个复杂的系统，它允许大脑使用被称为神经递质的化学物质来运作，这些化学物质在大脑中传递信息。每个人的大脑化学成分都略有不同，很多因素都会影响大脑中各种神经递质的水平，并且这些化学物质也会影响大脑如何工作。人们相信大脑化学的变化可以解释各种行为紊乱和现象。

仿神经系统是模拟生物神经系统的功能特性和设计原理的人工微纳电子电路。它们的设计目的是以比传统计算机芯片更快、更节能的方式运行用于数据分析和分类的人工智能算法。到目前为止，神经形态系统被限制以正确缩放的模拟电信号的形式接收输入数据，这些模拟电信号被硬连接到专用的输入层。最近，Scott Keene和他的同事们在《自然·材料》杂志上撰文指出，一种生物杂化突触可以直接从大脑的神经递质化学中获取信息，从而在人工神经网络和生物神经网络之间建立直接的物理联系。
图1. 提出了一种具有神经递质介导可塑性的生物杂化突触，将生物神经网络与人工神经网络连接起来生物的示意图。与它们的生物模型类似，神经形态系统由突触和神经元组成，它们可以被训练来存储突触重量（代表两个神经元之间连接的强度），而神经元则共同相互作用来传递信息。突触的简单物理实现是通过一个具有可调节电导的模拟电子装置来实现的。然后用电压作为输入神经元信号，模拟单个突触传递事件。根据突触的重量（电导），在人工突触上产生电流，代表输出的神经元信号。通过将人工神经元和突触组合成大的交叉阵列，获得了一种模拟计算的基片，该基片可以通过并行评估数千个突触传输来加速深度学习算法。利用电化学浮栅晶体管和聚合物共混PEDOT和PSS实现了人工突触,并且 (PEDOT:PSS)用作传导通道。通过利用混合离子-电子导电性PEDOT:PSS通道注入电解质层。向电解液中注入PEDOT：PSS的过程由一个电子门信号控制，并导致低能耗的导电率稳定变化。重要的是，混合有机离子-电子导体也具有生物相容性和化学稳定性，其电化学特性使其成为生化传感器的首选材料。Scott Keene和他的同事利用这些材料的多功能性开发了一种基于PEDOT:PSS晶体管，其中突触重量（通道电导）通过化学输入直接由一个相互连接的生物系统调节。在已报道的的实验中，输入以多巴胺能细胞释放的神经递质多巴胺的形式存在，而多巴胺能细胞被培养在神经形态装置的顶部如图1所示。为了理解生物杂化突触的工作原理，我们必须考虑混合离子-电子导体，如PEDOT：PSS（见图1）。突触导电性（重量）是由含有移动空穴载体的导电相提供的。载流子的正电荷在离子相中被平衡以产生整体电中性。为了更新突触的导电性，空穴电荷和离子必须进入或离开电子相。研究人员利用神经递质氧化还原化学来改变空穴电荷浓度：多巴胺氧化，发生在PEDOT:PSS通道细胞培养液提供电子，减少系统中空穴电荷的数量，从而改变突触的重量。由于这种法拉第电极过程是不可逆的，即使在没有多巴胺模拟长期突触可塑性的情况下，突触上的电荷也会维持。此外，这种生物杂化突触也模拟了突触可塑性的动态平衡，这与它的自然对应物类似：事实上，细胞培养基中的氧气对于PEDOT:PSS是缓慢的氧化剂并且能除去突触上多余的电子。这样，生物杂化突触就可以在更长的时间尺度上恢复到原来的突触可塑性状态。Scott Keene和他的合作者所做的实验证明，突触调节是基于细胞生化信号的活动。因此，它们代表了朝着生物整合的神经形态系统迈出的重要一步。生物观测与人工网络强大的学习能力之间的直接联系，为生物电子医学和假肢装置带来了许多希望。这类医疗技术依赖于生物电子或生物化学传感器阵列，它们将大量数据发送到中央处理单元，在中央处理单元中提取相关的诊断信息。只有在这一步之后，才能通过激活生物电子刺激、药物释放或假肢运动等方式触发生物反馈反应。这种生物反馈的方法受到了所需设备的入侵：所有传感器信号都需要通过耗电的微电子电路进行放大和数字化，而且数据量往往太大，无法进行无线传输。生物传感器与神经形态系统的集成可以克服这个问题，将放大和数据传输要求保持在最低限度使其利用本地学习和分类能力处理传感器数据。在简单的情况下，神经形态回路甚至可以允许完全自主的生物反馈操作。沿着这些思路，生物杂化突触应用的第一个例子可能是一个刺激电极，它可以根据局部多巴胺浓度调整刺激强度。但是生物杂化突触进入生物医学技术之前仍然有问题需要解决。在文中，神经递质是由一层专门的多巴胺能细胞释放出来的，并影响到一个约0.3 mm2的人工突触。在这样的维度下，所研究的系统只能看作是一个模型系统。神经元之间真正的突触接触在大小和涉及的神经传递分子数量上都要小几个数量级，因此生物杂化装置和相关的电化学将需要显著的缩小尺度——当然这是一项非常重要的任务。另一个有待解决的问题是，同时操作几个这样的人工突触从而展现神经形态系统的全部潜能。因为突触通道共享细胞介质作为一种常见的离子导体，它们都是电容耦合的。这种效应提供了引入同种异体可塑性的机会，但它将使独立的突触可塑性难以实现。

最后作者认为：人工神经网络与生物神经网络的连接为信息处理开辟了新的阶段，为生物医学技术的发展带来了希望。