高度逼真的人工神经细胞

研究人员创造了一种人工有机神经元，它密切模仿生物神经细胞的特征。这种人工神经元可以刺激天然神经，是一种很有前途的技术，在未来的各种医疗中都有应用前景。

　　

瑞典Linköping大学(LiU)的研究人员创造了一种人工有机神经元，它密切模仿了生物神经细胞的特征。这种人工神经元可以刺激天然神经，是一种很有前途的技术，在未来的各种医疗中都有应用前景。

有机电子学实验室(LOE)继续致力于开发功能日益强大的人工神经细胞。2022年，由Simone Fabiano副教授领导的一个科学家团队演示了如何将人造有机神经元整合到活的食肉植物中，以控制其嘴巴的张开和闭合。这种合成神经细胞具有与生物神经细胞不同的20个特征中的2个。

在他们发表在《Nature Materials》杂志上的最新研究中，刘大学的研究人员开发了一种新的人工神经细胞，称为“基于电导的有机电化学神经元”或称c-OECN，它密切模仿生物神经细胞的20种神经特征中的15种，使其功能更类似于自然神经细胞。

“创造能有效模仿真实生物神经元的人工神经元的关键挑战之一是结合离子调制的能力。由硅制成的传统人工神经元可以模拟许多神经功能，但不能通过离子进行通信。相比之下，c-OECNs使用离子来展示真正生物神经元的几个关键特征，”LOE有机纳米电子学组的首席研究员Simone Fabiano说。

2018年，Linköping大学的这个研究小组是最早开发出基于n型导电聚合物的有机电化学晶体管的研究小组之一，n型导电聚合物是一种可以导电负电荷的材料。这使得构建可打印的互补有机电化学电路成为可能。从那时起，该小组一直致力于优化这些晶体管，以便它们可以在印刷机上打印在薄塑料箔上。因此，现在有可能在柔性衬底上打印数千个晶体管，并用它们来开发人工神经细胞。

在新开发的人造神经元中，离子被用来控制通过n型导电聚合物的电子流，从而导致设备电压的峰值。这一过程与生物神经细胞中的过程相似。人造神经细胞中的独特材料还允许电流以几乎完美的钟形曲线增加和减少，类似于生物学中发现的钠离子通道的激活和失活。

Simone Fabiano说:“其他几种聚合物也表现出这种行为，但只有刚性聚合物对无序有弹性，才能使设备运行稳定。”

在与卡罗林斯卡学院(KI)合作进行的实验中，新的c-OECN神经元被连接到小鼠的迷走神经上。结果表明，人造神经元可以刺激小鼠的神经，使它们的心率变化4.5%。从长远来看，人造神经元能够刺激迷走神经本身，这一事实为各种形式的医学治疗的基本应用铺平了道路。一般来说，有机半导体具有生物相容性、柔软性和延展性的优势，而迷走神经在人体的免疫系统和代谢中起着关键作用。

研究人员的下一步工作将是降低人工神经元的能量消耗，目前人工神经元的能量消耗仍远高于人类神经细胞。要人工复制大自然还有很多工作要做。

“关于人类大脑和神经细胞，我们还有很多不完全了解的地方。事实上，我们不知道神经细胞是如何利用这15种特征中的许多特征的。模拟神经细胞可以使我们更好地了解大脑，并构建能够执行智能任务的电路。我们还有很长的路要走，但这项研究是一个良好的开端，”这篇科学论文的主要作者、博士后Padinhare Cholakkal Harikesh说。

Padinhare Cholakkal Harikesh, Chi-Yuan Yang, Han-Yan Wu, Silan Zhang, Mary J. Donahue, April S. Caravaca, Jun-Da Huang, Peder S. Olofsson, Magnus Berggren, Deyu Tu, Simone Fabiano. Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons. Nature Materials, 2023