以下文章来源于学术头条 作者：库珀
20 世纪 80 卡弗，美国计算机科学家·米德在一篇论文中提出了神经形态工程一词。
他花了 40 多年来，我想开发一个分析系统，可以模拟人类感官和处理机制（如触觉、视觉、听觉和大脑思维）。如今，虽然很多人不知道什么是神经形态计算技术，但基于这些系统理论的更广泛的技术人工智能并不陌生。近年来，
展望未来，脑机接口技术是一种典型的神经形态工程应用。科学家需要将人工神经形态设备与生物系统集成，以修复和增强人体功能。但是，近期，发表在《自然通讯》（Nature Communications）该杂志的最新论文报道了人造神经元（OECN），它能成功地连接捕蝇草的生物细胞，使植物关闭叶瓣。
图|实验中收集的神经信号(来源:Nature Communications）
论文描述，OECNs 它还可以与所有印刷有机电化学突触（OECSs）整合和反应各种刺激，为当地人工神经元系统定义了新的前景，预计将与植物、昆虫甚至脊柱动物的生物信号系统集成。这一发现可能会启发大脑接口和软机器人技术的未来发展。
众所周知，生物的基本成分与电子设备有本质的不同。虽然基于软件的神经形态算法已经集成到生物医学系统中，但最终还是需要基于硬件的系统。这些系统与活体组织紧密相连，可以利用对事件的感知和生物系统的处理能力进化其功能。近年来，有机半导体受到业界的青睐，在人工突触、神经电子学和神经界面中的应用越来越多。从结构上看，有机半导体具有溶液加工、生物相容性、生物可降解性、柔软性等特点，能提供特定的刺激、传感和驱动能力，支持电子和离子信号的传输。相关报告中提到的有机场效应晶体管（OFETs）人工神经元用途广泛，但运行时需要高电压(5V）在与生物集成时，输入是一个明显的关键问题。另一个潜在的技术方向是有机电化学晶体管（OECTs），它由有机体沟道材料的栅极驱动离子掺杂/反掺杂调制，类似于生物系统的离子驱动过程和动力学。与 OFET 相比，OECT 电压相当低（<1V）工作具有较高的跨导性和良好的阈值电压稳定性，通常具有较高的生物相容性 OECT 它已成为开发人工尖峰神经电路的理想候选人，具有离子介导的尖峰机制，与生物系统的信号特征非常相似。
图|有机电化学神经元与生物神经元的类比(来源:Nature Communications）
本项最新成果中，OECNs 它表现出离子浓度依赖性尖峰和与印刷有机化学突触等几种神经元特征（OECSs）整合的峰值时间依赖于可塑性（STDP），它对大范围输入电流(0.1–10μA）响应超过频率调制450%。
在实验中，基于晶体管离子浓度的依赖性开关特性，研究人员首次可以在很大程度上与生物系统相似地调整峰值频率 OFET 或基于硅的神经元是不可能的。这种电导调节实现了成对脉冲促进的短期可塑性和保持 1000 长期可塑性超过秒。他们预计，OECNs 柔软度、在柔性基础上打印的能力、离子调制的尖峰和多刺激响应将为与生物神经网络的简单集成应用开辟新的道路。
总的来说，研究成果有四个关键环节。
选择研究人员 Axon-Hilllock（A-H，指神经元中细胞体靠近轴突的区域)电路制作尖峰 OECN，因为它适用于尖峰神经网络（SNN）以及基于事件的传感器最紧凑的模型，电路由 n 型和 p 型 OECTs 构成。OECT 具有横向 Ag/AgCl 栅极配置，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上有丝网印刷碳和银电极，当碳作为化学惰性层与聚合物半导体接触时，银底层会降低线电阻。
OECNs 与生物神经细胞物神经细胞相似。在静态状态下，由脂质细胞膜的绝缘特性维持，神经细胞外侧有多余的正电荷，细胞内侧有多余的负电荷。类似于神经细胞的操作，OECN 通过集成注入输入端（Iin）电流产生尖峰。进一步研究发现，重置晶体管的工作原理类似于神经细胞中的电压依赖钾通道；膜电容对生物神经元动作电位的传导速度起着至关重要的作用，较低的膜电容会导致传播更快。在神经细胞中，这种电容的减少是通过在轴突上包裹一层叫做髓鞘的绝缘层来实现的。OECN 特别是基于硅或硅的显著特征 OFET 与尖峰神经元相比，它是通过调节电解质离子浓度直接控制尖峰频率的能力。类似于生物神经元需要膜电压超过给定阈值才能产生脉冲泄漏，OECN 当电路低于特定电流阈值时，不会触发电路。
该电路功耗低 SNN 该电路的主要功耗源是放大模块，因此电路的动态功耗是非常重要的 IDD、动态和 VDD 的乘积。因为逆变器可以在那里 0.6 V 在低工作电压下工作，IDD动态最大值为 25 μA，所以最大动态功耗是 15 μW。通过光刻技术降低通道尺寸，OECN 功耗可以降低到更低的值，这将减少流量 OECT 较小的通道也会增加电流 OECT 降低能耗的响应时间。
为了展示 OECN 研究人员将能力方面，研究人员将完全打印的神经元与维纳斯捕蝇器连接起来。捕蝇器陷阱也可以通过电刺激诱导，包括直流刺激、直接电荷注入、交流刺激和电容性感应电流，非常适合与人工神经元集成。
OECSs 采用与 OECNs 制造相同的印刷电极结构。OECS 导电性的长期增加是通过在通道中施加栅极电压脉冲来实现的，类似于 N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）新受体插入受体介导的生物突触，导致突触强度长期增加。OECS 共展示了 150 在不同的状态下，状态保持时间超过 1000 秒。
图|印刷有机电化学突触(来源:Nature Communications）
在生物突触中，每次突触前的输入都不会改变突触强度，因为它会很快饱和突触强度。突触前后神经元尖峰之间的时间相关性构成了长期增加/减少突触可塑性的基础，称为尖峰时间依赖可塑性（STDP），实现联想学习。
使用连接到 OECN 进行突触晶体管 Hebbian 学习（一种无监督的学习规则与人类观察和理解世界的过程非常一致）。向突触施加电压，并根据突触强度将其转换为电流，以调整峰值频率，而不是向神经元输入兴奋电流。这种有机电化学神经突触系统的演示 Hebbian 学习是一个重要的步骤，能力的更复杂的感觉和处理系统的重要一步。
图｜《攻壳机动队》中人与机器结合的科幻场景
研究人员说，因此，未来物联网可以开发分布式低成本智能单元。OECN 的尖峰频率可以通过改变放大器的输入电流、膜电容和电压来调节，这种特性以及通过调节电解质浓度来调节峰值频率的能力，
研究人员将 OECN 根据神经元的放电频率，据神经元的放电频率诱导肺叶闭合，证明了这种可能性。在未来，再加上感知各种生物、物理和化学信号的独特能力，可以实现各种传感器的检测。
图｜动漫《EVA》超级生物计算机
放眼未来，
由 OECNs 和 OECS 组成的局部人工神经突触体系统有望与植物的信号系统、无脊椎动物和脊椎动物的扩散神经系统、外周神经系统和中枢神经系统相结合产生更多可能性。在很多科幻作品中，人类都大胆展望到未来生物体和机器的完美结合，虽然非常赛博朋克，但也并非毫无根据，也许随着科技的进步，当科学家们能够克服人机结合的种种挑战后梦想就能成真。
参考资料：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6
推荐阅读
01
[印]狄柏丽·班赛尔（Dipali Bansal）
拉什玛·马哈詹（Rashima Mahajan）
施明辉
推荐阅读
脑机接口（BCI）技术在医疗康复、自动控制和情感识别等领域有着广阔的应用前景，为人们提供了一种与体外环境交互的新方式。在各类神经信号中，脑电（EEG）信号由于其易采集、低成本等优点，得到了广泛的研究和应用。
本书不仅涵盖BCI的技术原理，而且给出了一个采用眨眼诱发的EEG信号的完整实现示例。书中首先介绍EEG信号的获取方法以及基于眨眼的BCI框架，之后详细讲解从EEG信号中识别有意眨眼的方法，包括时域方法和频域方法。在此基础上开发脑控应用系统，将Emotiv脑电采集设备与MATLAB连接，实现EEG信号的获取与分析算法。其中，针对EEG信号分析，讨论了事件相关电位、脑地形图、EEG子频带功率、通道相干性等技术。
02
[美]加里·F. 马库斯（Gary F. Marcus）
刘伟刘欣于栖洋等
DeepMind人手一本！
推荐阅读
本书英文版出版至今已近20年，但关于大脑究竟如何工作的问题至今仍无答案，而符号主义（认为大脑是类似于计算机的加工符号的机器）与联结主义（认为大脑是并行运转的大型神经网络）之间的争论也从未停息。本书分析了联结主义模型和符号加工模型在计算方面的优势和劣势，关注不同联结主义模型之间的差异以及特定模型与符号加工的特定假设之间的关系，并围绕多层感知器展开讨论。书中的观点在今天依然频繁成为学术讨论的焦点，并为认知科学、人工智能、深度学习等领域的未来研究指明了可能的方向。
扫码【华章计算机】视频号
每天来听华章哥讲书
更多精彩回顾
书讯 | 2月书讯（下）| 新年到，新书到！
书讯 | 2月书讯 （上）| 新年到，新书到！
资讯 | Python迎来31岁生日，蝉联年度编程语言排行榜冠军
书单 | 成为优秀Java开发者，我看了这几本书
干货 |一文带你掌握计算机体系结构核心内容
收藏 | 终于有人把大数据、机器学习、数据科学讲明白了
上新 | 深入浅出隐私计算：技术解析与应用实践
资讯 |云原生时代，阿里如何让Java冷启动提速两个数量级？
赠书 | 【第94期】存储系统又慢又杂太难用？我们推荐这几本书帮你解决问题
点击购买