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全球首款人工神經元矽芯片發布,可拯救阿爾茲海默症患者


阿爾茨海默病是西方社會老年癡呆症發生的最主要病因。全球約有3500萬患者掙扎在記憶缺失、意識模糊、易怒、正常機體功能逐步喪失的痛苦中。而近期由巴斯大學研究團隊主導研發的一款人工神經元矽芯片或許將成為拯救這類患者的福音。

近日,一群來自巴斯大學、布里斯托爾大學、蘇黎世大學和奧克蘭大學的研究人員在《自然通訊》上發表了一項研究,這項研究中對中人工神經元進行了描述。值得一提的是,這個由多個大學的研究人員共同組織的研究小組首次成功地將生物神經元的電特性複製到半導體芯片上。

早在2015年,一群來自浙江大學與杭州電子科技大學的年輕研究者們研發出了一款稱為“達爾文”的類腦芯片。這款芯片是國內首款基於矽材料的脈衝神經網絡類腦芯片。該芯片主要面向智慧物聯網應用,能夠完成手勢識別、圖像識別語音識別、腦電識別等多個應用開發。日前巴斯大學科學家們發明的這款人工神經元芯片主要用途是治療心臟衰竭/阿爾茲海默症等慢性疾病。

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科學家稱,這款“人工神經元矽芯片”用起來就像真實的生物神經元一樣,它將在治療心臟衰竭、阿爾茨海默病和其他神經元退化性疾病中發揮著巨大作用。更重要的是,這款人工神經元不僅在實用性上可與生物神經元媲美,而且它的功率只有140納瓦,是微處理器的十億分之一(其他合成神經元都選擇使用微處理器),這意味著它以後可以廣泛應用在醫療植入物和其他生物電子設備中。

芯片的一小步,醫療發展的一大步

由於生物學複雜晦澀,且神經元反應也難以預測,因此人工神經元的發展舉步維艱。

1928年,現代神經科學之父聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal)宣稱,成年人的大腦永遠不會產生新的神經元。因此,幾十年來,設計出能像人類真實神經元一樣回應從神經系統傳出來的電子信號的人工神經元一直是醫學屆的首要目標。因為它對修復神經元無法正常工作、在脊髓中受損或神經元死亡尤為重要。人工神經元可以通過複製其健康功能和對生物反饋做出充分反應來恢復機體功能,從而修復病變的生物迴路。

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研究人員成功地建立了模型並推導出方程來解釋神經元如何對來自其他神經的電刺激做出反應。實際上,這是個非常複雜的過程,因為這種反應是“非線性的”——換句話說,如果一個信號增强两倍,那麼針對信號做出的反應不一定也增強了兩倍,也可能是三倍、四倍或其他。

他們設計了能夠精確模擬生物離子通道的矽芯片,然後證明了他們的矽芯片神經元能精準地模擬真實的、活神經元對一系列刺激作出回應。研究人員精確地複制了大範圍刺激下老鼠的海馬神經元和呼吸神經元的完整動態。該項目主導者——巴斯大學物理系教授Alain Nogaret稱:“迄今為止,神經元就像'黑匣子'一樣神秘莫測,但是我們已經地打開了它並看到了裡面的東西。”我們所做的工作堪稱人工神經元史上里程碑式的轉折,因為它詳盡無遺地闡明瞭如何再生真實神經元電學特性。

惠及社會的廣泛應用

那麼這款人工智能神經元的具體應用又會朝著哪個方向發展?針對這一問題,Alain Nogaret稱:“例如,我們正在利用這項研究開發智能心臟起搏器,它不僅能刺激心臟以穩定的速度跳動,還能利用這些神經元對心臟的指令做出實時反應——這是健康心臟的自然反應。”其次,它還將用於治療阿爾茨海默症和更廣泛的神經退行性疾​​病。

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“我們的方法包含了多個技術突破。第一,我們可以準確地估算出控制所有神經元行為的精確參數。第二,我們已經建立了相關硬件的物理模型,並證明它有能力成功地模擬真實的活神經元的行為。第三,我們的模型具有很高的通用性,它在一系列複雜哺乳動物的不同類型和不同功能的神經元中都適用。 ”

該研究的合著者蘇黎世大學Giacomo Indiveri教授補充說:“這項工作為神經形態芯片的設計開闢了新渠道,因為它採用了獨特的方法來識別關鍵的模擬電路參數。”

結語

以技術突破解決醫療痛點是智慧醫療的終極目標。人工神經元矽芯片用於治療慢性疾病僅是醫學在人工智能領域邁出的一小步。今後,智慧醫療領域的巨大市場將如何劃分,能夠治療更多種疾病的科學研究如何落地,都將是未來企業、政府和社會需要思考的問題。

原文鏈接:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/uob-wfa120219.php