探索複雜的大腦，是人類科學史上的一個重要任務。如今，科學家們終於有了突破，他們破譯了腦細胞的神秘行為，並在微型芯片中重現了神經元的電學特性。
科學家成功製造出了與人體生物神經細胞“幾乎完全相同”矽微型芯片，圖為該芯片與英國20便士硬幣的大小對比。圖據巴斯大學官網
據BBC新聞3日報導，近日，英國巴斯大學的科學家宣布，他們成功製造出了一種人造神經元——一個矽微型芯片，這個與人體生物神經細胞“幾乎完全相同”的芯片可用於生物電子設備和植入物，為對抗影響神經系統的疾病（如阿爾茨海默氏病、心力衰竭或脊髓損傷）提供了新的途徑。
神經元的行為類似於人體內的“電路”，負責向大腦和身體其他部位傳遞信號，但它們的行為很難預測，尤其是輸入和輸出電脈衝之間的關係。一直以來，製造對神經系統電信號作出反應的人造神經元一直是醫學界的一個長期目標，因為它們在治療阿爾茨海默病等疾病方面具有潛力。
神經元具有各種大小和形狀，但它們大多具有長突起，通過稱為“突觸”的專門信息傳遞結構連接到相鄰細胞。圖據《自然》雜誌
就在本周二（3日），發表在《自然-通訊》雜誌上的一項研究表示，科學家們製造的人造神經元，成功地模仿了大鼠大腦兩個特定區域神經元的行為，包括來自海馬體神經元（海馬體是大腦中對記憶起重要作用的區域），以及負責控制呼吸的呼吸神經元。
這項新研究由巴斯大學領導的研究小組，包括來自布裡斯托大學、蘇黎世大學和奧克蘭大學的研究人員合作開展。該團隊將數學、計算和芯片設計結合起來，提出了一種在電路中複製神經細胞（神經元）自然行為的方法。
巴斯大學的物理學家阿蘭·諾加雷特在新聞稿中表示：“在此之前，神經元就像黑匣子一樣神秘莫測，但現在，我們成功地打開了這個黑匣子，開始向裡面窺視。我們的研究是範式（paradigm）的變化，它提供了一種可靠的方法來從細節上再現真實神經元的電特性。”
阿蘭·諾加雷特（右）展示放置於手指尖的矽芯片。圖據巴斯大學官網
諾加雷特教授說，實驗首次成功地將生物神經元的電特性複製到矽製成的半導體芯片上。他們在計算機程序中模擬活神經元，然後在矽芯片上重現它們的放電模式，準確率高達94%，與人體中存在的生物神經細胞“幾乎相同”。“我們成功地提取了生物神經元的這些參數，並將這些參數插入我們製造的合成電路中。”諾加雷特教授介紹道。
這樣，人造神經元便能從健康的神經細胞接收電信號，並以自然的方式進行處理，然後再向其他神經元或身體其他部位的肌肉和器官發送新的信號。
據英國《衛報》報導，儘管由於技術的發展、試驗和法規的完善等原因，人造神經元可能還需要許多年才能真正幫助患者。但如果它們被證明是安全有效的，最終就能被運用於繞過神經系統損傷，幫助癱瘓的人恢復行動，或者將人的大腦與假肢連接起來，通過植入物將觸覺傳回大腦。
諾加雷特教授認為，該芯片可為對抗影響神經系統的疾病提供新途徑。圖據巴斯大學官網
這項工作為修複因退行性疾病而喪失的神經元開辟了一系列可能性，包括治療心力衰竭和阿爾茨海默病等病症。這些神經元有可能被植入病人體內，以克服癱瘓、修複受損的大腦回路，甚至將病人的思維與機器連接起來。
研究人員之一、紐西蘭奧克蘭大學和布裡斯托爾大學的生理學家朱利安·佩頓教授稱：“能夠在生物電子學中複製可縮小和植入的呼吸神經元的反應十分令人振奮。”
紅星新聞記者 王雅林 徐緩 編譯報導
編輯 李彬彬
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