模仿人脑!新型芯片利用光线存储和删除信息

据澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)官网近日报道,该校研究人员从生物科技领域中的一项新兴技术“光遗传学”中汲取灵感开发出一种新设备,该设备可以模仿大脑存储和删除信息的方式。

背景

2010年,光遗传学(optogenetics)技术被《Nature Methods》杂志评选为所有科学与工程领域中“年度最受关注科技成果技术”之一,同年《科学》杂志也在十年技术回顾中着重强调了这项技术。

光遗传学,是一项采用光线打开或者关闭大脑中特定神经元组的生物技术。例如,研究人员采用光遗传学刺激来恢复病人在瘫痪情况下的运动能力,或者关闭大脑或脊椎中引发疼痛的区域,消除人们对于阿片类药物或者其他止痛片的需要以及日益增长的依赖性。

(图片来源:维基百科)

光遗传学是一项交叉学科的创新技术,整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多个学科的知识。这项技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点,克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作,彻底改变了神经科学领域的研究状况,为神经科学提供了革命性的研究手段。

基于光遗传学原理,植入式光电系统用光线控制神经元。(图片来源:Philipp Gutruf)

创新

近日,澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)的研究人员从生物科技领域中的一项新兴技术“光遗传学”中汲取灵感开发出一种新设备,该设备可以模仿大脑存储和删除信息的方式。

(图片来源:皇家墨尔本理工大学)

这种新芯片是基于一种超薄材料。这种材料会改变电阻,以响应不同波长的光线,从而能够模仿大脑中神经元存储和删除信息的工作方式。

这项技术在RMIT微纳研究中心(MicroNano Research Facility)开发,相关论文发表在《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊上。

技术

神经连接是通过电脉冲在大脑中产生。当微小的能量尖峰达到特定的阈值电压时,神经元就会结合在一起,这样你就会产生记忆。

在芯片上,光线用于生成光电流。切换光线颜色,会引发电流从正到负的方向反转。

这种方向切换,或者说是极性偏移,相当于建立或者破坏神经连接,这种机制使得神经元连接(引起学习)或者抑制(引起遗忘)。

这种机制类似于光遗传学。在光遗传学中,光线诱导神经元产生变化,使之要么打开要么关闭,建立或者阻止与链中下一个神经元之间的连接。

为了开发这项技术,研究人员们采用一种称为“黑磷(BP)”的材料,它天生就具有缺陷。

对于光遗传学来说,这通常是一个问题,但是通过精准的工程设计,研究人员能利用缺陷创造出新功能。

Ahmed 表示:“缺陷通常被认为是需要避免的,但是在这里,我们用它创造新颖和有用的东西。这是一个富有创造性的方法,它为我们面临的技术挑战找到了解决方案。”

价值

研究团队领头人 Sumeet Walia 博士表示,这项技术使我们更接近可利用大脑全部复杂功能的人工智能(AI)。

(图片来源:Johannes Feldmann)

Walia 表示:“我们的光遗传学启发芯片模仿大自然中最好的电脑(人脑)的基础生物学。对于信息处理技术来说,可以存储、删除和处理信息是非常关键的,而大脑可以非常高效地做到这一点。我们只是通过向我们的芯片照射不同颜色的光线,就可以模仿大脑的神经处理方式。这项技术让我们在朝着快速、高效、安全光基计算迈进的道路上走得更远。它也带着我们朝着实现仿生大脑的目标迈出了重要一步,仿生大脑是一种能像人类一样从周围环境中学习的‘芯片上的大脑’。

(图片来源:皇家墨尔本理工大学)

论文领导作者 Taimur Ahmed 博士表示,在人造芯片上模仿神经行为的能力,为跨学科的研究提供了令人振奋的途径。Ahmed 表示:“这项技术为研究人员创造出巨大的机遇,使他们可以更好地理解大脑,以及大脑是如何被阿尔茨海默病和痴呆症等破坏神经连接的疾病所影响的。”

左起: Sumeet Walia博士与Taimur Ahmed博士(图片来源:皇家墨尔本理工大学)

RMIT功能材料与微系统研究小组的研究人员也演示了这个芯片可进行逻辑运算(信息处理),从而又增添了一项新的类脑功能。

这项技术与现有的电子器件兼容,也在柔性平台上得到了验证,可以集成到可穿戴电子器件中。

关键字

类脑计算、光遗传学、芯片、黑磷

参考资料

【1】http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201901991

【2】https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2019/jul/electronic-chip-mimics-brain

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