每日一問：機械義肢什么時候普及？
二次元中里常用的解決方法是將神經(jīng)與硬件設備（包括各種電纜）相連，以達到控制的目的，當然了，我們現(xiàn)在的科技水平還做不到。于是有人就提出，能不能通過傳感器感知特定的場景來自動的完成相應的動作，也就是“讓義肢它自己的想法”？你別說，這個真可以有。人造一個神經(jīng)元，直接讓捕蠅草遭四周空無一蟲的時候也能閉合：
對，你沒聽錯，人造了一個神經(jīng)元。將捕蠅草的生物細胞與這個特殊的神經(jīng)元相連，就能模擬大腦處理和傳遞信息，向捕蠅草的葉片“強加”一個“意識”。
（人造神經(jīng)元：你自閉吧！捕蠅草：好的）
還不僅如此，進行實驗的科學家還配合制作了神經(jīng)突觸，兩者連接，就相當于人造了一個局部的神經(jīng)突觸系統(tǒng)。能夠進行赫布學習，具有短期可塑性的那種。
這個“人造神經(jīng)系統(tǒng)”來自一篇近期發(fā)表在 Nature 子刊 Nature Communications 上的論文，華人共同一作。作者在論文中還表示，這種人工制造的局部神經(jīng)系統(tǒng)定義了一個新的前景：未來，這一人工系統(tǒng)或許能與植物、無脊椎動物和脊椎動物的生物信號系統(tǒng)（如中樞神經(jīng)系統(tǒng)）進行連接或更復雜的整合。啊這，更復雜是指……
△《攻殼機動隊》中外化的機械人腦
“印刷噴涂”而成的人工神經(jīng)元
先從人造神經(jīng)元開始說起。這種神經(jīng)元簡稱 OECN，全名有機電化學神經(jīng)元（Organic ElectroChemical Neurons）。它基于有機電化學晶體管（OECTs）制成，是研究團隊在 2018 年時開發(fā)的一種新型材料，使用絲網(wǎng)印刷和噴涂組合制成，可以在一張塑料薄片上印刷成千上萬個。它的特性就是高度的生物相容性，這使得這種晶體管制成的神經(jīng)電路具有離子介導的尖峰機制，與生物系統(tǒng)的信號特征非常相似。
將這些元件組合在一起，就能創(chuàng)建一個模擬神經(jīng)元行為的微型電路：
也因此，人造神經(jīng)元的運行機制類似于生物神經(jīng)細胞。在靜止狀態(tài)下，神經(jīng)細胞的外側帶有多余的正電荷，細胞內(nèi)側帶有多余的負電荷，同時，在膜電壓超過給定閾值時，生物神經(jīng)元就能產(chǎn)生脈沖。而人造神經(jīng)元則通過向輸入端注入電流產(chǎn)生尖峰，實現(xiàn)一種類似的動作電位的傳導，還能調節(jié)電解質的離子濃度控制尖峰頻率。將人造神經(jīng)元與捕蠅草連接，根據(jù)神經(jīng)元的放電頻率就能誘導其肺葉閉合：
加入突觸，形成神經(jīng)網(wǎng)絡
但單個神經(jīng)元對于生物體來說是沒有意義的，研究團隊的一位科學家表示：神經(jīng)元和突觸一起構成了大腦的基石。
于是，團隊也制造了人工突觸 OECSs，全稱有機電化學突觸（Organic ElectroChemical Synapses）。突觸與神經(jīng)元采用相同的結構制造，通過在通道中施加柵極電壓脈沖，使人工突觸導電性可以長期增加：
通過實驗，研究人員成功證明了制成的人工突觸進行了赫布學習（Hebbian theory）：即不再直接對神經(jīng)元輸入興奮性電流，而是向突觸施加電壓，根據(jù)其突觸強度將其轉換為電流，從而調節(jié)尖峰頻率。
赫布學習是神經(jīng)科學領域的一種理論，解釋了腦中的神經(jīng)元在學習的過程中所發(fā)生的的變化，即：兩個神經(jīng)元之間的連接強度會隨著活動的增加或減少。
神經(jīng)元之間的連接強度控制著不同大腦回路的功能，這也是信息編碼進入大腦的關鍵。當然，也有不足。我們大腦中的神經(jīng)元之間的連接強度會根據(jù)活動而實時增強或減弱，但現(xiàn)在的人工突觸只能不斷增強，但不能減少。如果這種神經(jīng)元的連接強度不可逆，那也就無法形成有效的網(wǎng)絡。
賽博朋克又一步
不過，在前往的復雜的人工制造的感覺和處理系統(tǒng)之前，這種研究至少點亮了第一步。與捕蠅草連接并成功誘導的“閉合”動作，就證明了未來或許還能實現(xiàn)更加復雜的傳感器檢測，與生物系統(tǒng)進行集成，促進植入式設備的開發(fā)。并且，這些人工神經(jīng)元的電路是印刷在柔性基板上的，可以進行大規(guī)模的印刷，具有較高的制造產(chǎn)能。軟體機器人、腦機接口，甚至賽博朋克中的人機結合，都是可想象的未來。
論文有兩位共同一作 Padinhare Cholakkal Harikesh 和 Chi-Yuan Yang。
其中 Chi-Yuan Yang 為來自北京的華人科學家，博士畢業(yè)于北京大學，現(xiàn)是瑞典的林雪平大學科學與技術系的一名博士后。
論文：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6
參考鏈接：
[1]https://futurism.com/the-byte/scientists-control-venus-flytrap-with-implanted-computer-brain
[2]https://singularityhub.com/2022/02/25/scientists-created-an-artificial-neuron-that-can-make-a-venus-flytrap-snap/
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