“人機(jī)交互”在每一部科幻作品里都是繞不開的話題。在機(jī)械/物理式的交互手段日臻完美的今天，我們期望著在“交互”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)真正的“融合”，不僅要讓機(jī)器像人一樣運(yùn)動(dòng)，還要讓機(jī)器像人一樣“思考”與“學(xué)習(xí)”，而這其中的關(guān)鍵之一就是人工生物混合突觸，一種在人類神經(jīng)與機(jī)器之間搭建起橋梁的人機(jī)界面。
目前的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都主要基于軟件層面的算法來實(shí)現(xiàn)，但是如何在硬件層面直接搭建可以感知生物信號(hào)，并作出與生物體相同行為模式的連接依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這其中，最關(guān)鍵的第一步便是如何實(shí)現(xiàn)與神經(jīng)突觸的連接，并根據(jù)神經(jīng)信號(hào)對(duì)突觸權(quán)重（synaptic weight）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整——類比于學(xué)習(xí)的過程。先前的研究主要是通過記錄突觸前神經(jīng)元的電活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)突觸權(quán)重的調(diào)整，然而在真正的生物活動(dòng)中，突觸權(quán)重的調(diào)整是通過神經(jīng)遞質(zhì)與電信號(hào)的配合來實(shí)現(xiàn)的，缺少了對(duì)生物化學(xué)信號(hào)感知的人工突觸在硬件層面是不完整的。
近日，來自斯坦福大學(xué)的Alberto Salleo、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Yoeri van de Burgt和意大利技術(shù)研究院的Francesca Santoro團(tuán)隊(duì)在硬件層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)突觸連接及其功能的模仿。其中突觸前神經(jīng)元由可分泌多巴胺（神經(jīng)可塑性的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)）PC-12細(xì)胞構(gòu)成，突觸后神經(jīng)元?jiǎng)t為人造晶體管，門電路為PEDOT:PSS。當(dāng)通電時(shí)，多巴胺可以還原PEDOT:PSS，使溝道的電導(dǎo)率降低，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該人工突觸權(quán)重的長(zhǎng)期調(diào)控。這一過程模仿了人類神經(jīng)元在神經(jīng)遞質(zhì)作用的下的長(zhǎng)期改變。該成果以“A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。
人工突觸后神經(jīng)元是一個(gè)以部分氧化的PEDOT:PSS為柵極的晶體管，PC-12細(xì)胞生長(zhǎng)于人工突觸后神經(jīng)元的柵極上（圖1c、d），并可在氯化鉀溶液的刺激下釋放多巴胺（圖1b）。當(dāng)柵極通電時(shí)，液態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率會(huì)在電場(chǎng)作用下首先發(fā)生一個(gè)較大的短期變化，然后多巴胺會(huì)與PEDOT:PSS發(fā)生氧化還原反應(yīng)還原PEDOT:PSS，這一反應(yīng)會(huì)引起PEDOT:PSS電荷狀態(tài)的長(zhǎng)期改變，并在充盈器件的液態(tài)電解質(zhì)中引起離子流，長(zhǎng)期改變溝道的電導(dǎo)率（圖1e）。上述過程同時(shí)模仿了突觸后神經(jīng)元興奮引起的短期權(quán)重變化以及神經(jīng)遞質(zhì)與受體結(jié)合后引發(fā)的長(zhǎng)期突觸權(quán)重調(diào)整的過程。在人工突觸上添加PDMS流道，就可以通過控制液態(tài)電解質(zhì)的流速來控制多巴胺及其氧化產(chǎn)物在柵極表面的附著/洗脫狀態(tài)，進(jìn)一步模擬了神經(jīng)遞質(zhì)在受體上的結(jié)合/脫離這一可逆過程。值得一提的是，上述氧化還原反應(yīng)只有在柵極通電并且電解質(zhì)中存在多巴胺時(shí)才會(huì)發(fā)生，并且氧化還原反應(yīng)所引起的改變?cè)谕耆啡ル妷汉蟛粫?huì)消失，這使該人工神經(jīng)突觸與赫布學(xué)習(xí)模型——“一起激發(fā)的神經(jīng)元連在一起”——相符合。
在突觸前神經(jīng)元單層中，PC-12細(xì)胞的密度越高，多巴胺釋放量越大，對(duì)突出權(quán)重的影響也越明顯（圖2a），但是過高的細(xì)胞密度會(huì)阻塞電解質(zhì)在突觸間隙（圖2b、c）間的流動(dòng)，因而作者選取70%的密度用于展示人工神經(jīng)突觸的性能。
為說明通過控制流速模擬神經(jīng)遞質(zhì)的結(jié)合與脫離的有效性，研究人員測(cè)量了保持柵極電壓恒定（0.3 V）時(shí)溝道電導(dǎo)率在電解質(zhì)低速/高速流動(dòng)時(shí)的變化情況。當(dāng)電解質(zhì)低速流動(dòng)時(shí)，多巴胺能有效結(jié)合在柵極表面，引起電導(dǎo)率的下降；當(dāng)流速升高時(shí)，多巴胺無法與柵極有效結(jié)合，因而使柵極裸露，此時(shí)溶解在液態(tài)電解質(zhì)中的微量氧氣可以部分氧化PEDOT:PSS，從而使電導(dǎo)率逐漸恢復(fù)（圖2d、e）。
為證明上述神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的突觸權(quán)重變化具有長(zhǎng)效性，研究人員測(cè)量了在一定的柵極脈沖電壓刺激后2小時(shí)的溝道電導(dǎo)率。在刺激過程中，電導(dǎo)率每脈沖下降8.4 2.8 S，這一電導(dǎo)率的改變?cè)?小時(shí)后以及細(xì)胞的重新接種過程中仍保持穩(wěn)定（圖3a）。
在重新接種了PC-12細(xì)胞的人工突觸上，研究人員又采用相同條件進(jìn)行了試驗(yàn)以證明人工突觸在突觸權(quán)重改變后仍具有可塑性。研究結(jié)果表明在第二輪脈沖電壓刺激中，人工突出的權(quán)重改變行為與第一次基本沒有差異（圖3a）。
為驗(yàn)證人工突觸的權(quán)重改變過程與赫布學(xué)習(xí)模型的一致性，也即突觸前神經(jīng)元必須與突觸后神經(jīng)元同時(shí)興奮才能引起突觸權(quán)重改變，研究人員采用不同濃度的氯化鉀（60 mM與120 mM）對(duì)PC-12細(xì)胞進(jìn)行刺激。在低濃度氯化鉀刺激時(shí)，PC-12細(xì)胞不產(chǎn)生足夠的興奮，突觸權(quán)重不發(fā)生變化；而高濃度氯化鉀刺激下，足量多巴胺被釋放出來，因而突觸權(quán)重發(fā)生了變化（圖3b、c）。
結(jié)語(yǔ)
這項(xiàng)工作所提供的人工神經(jīng)突觸在未來可以充當(dāng)生物神經(jīng)系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間連接的橋梁，并提供更為復(fù)雜的信號(hào)處理能力。此外，這項(xiàng)工作還有望與刺激模組相連接，用于神經(jīng)假體，修復(fù)損壞的神經(jīng)化學(xué)通路。更進(jìn)一步地，這項(xiàng)工作的器件尺寸還可以被進(jìn)一步縮小，提供更高靈敏度的多巴胺響應(yīng)能力，甚至可響應(yīng)單個(gè)囊泡的釋放。
