医疗应用仿生芯片的电路分析和相关仿真研究

第一个人工数字神经元已经在实验室中创建，目的是恢复失去的大脑功能。科学家计划使用这些芯片来治疗神经退行性疾病。

阿尔茨海默氏病是一种神经退行性疾病，涉及神经元的进行性死亡，并伴有认知，行为和运动方面的后果。这有点像夺走受影响者的灵魂，不仅对患者而且对他们的家人都造成了破坏。阿尔茨海默氏病仍然难以治疗，但研究人员正在探索新的纳米技术解决方案，可能有助于改善患病者的生活质量。

由英国巴斯大学的科学家领导的国际研究小组在实验室中创造了首批人造神经元，这些微型神经元旨在修复神经回路并恢复失去的功能。科学家计划使用这种仿生芯片来治疗与心脏有关的疾病和神经退行性疾病。

根据Trust Source在2016年的一项研究，每隔66秒就会有人患上阿尔茨海默氏病。分析人士指出，总共有540万人患有这种疾病。它的特征是进行性记忆丧失和其他认知功能的退化，损害了日常活动的进行。尽管有临床疗法可以延长个人能够进行日常活动的时间，但目前尚无治愈方法。

长期以来，人们一直在研究生物细胞的电学性质以了解细胞内动力学。迄今为止，测量控制离子电流动态和离子电导非线性的微观参数的困难阻碍了构建定量计算模型的努力。这使得很难创建能够复制生物神经元确切反应的神经形态设备。

对用于治疗慢性疾病的可植入生物电子学的日益关注，正推动着技术朝着精确模拟生物电路的低功率固态模拟器件发展。

无论系统的大小和复杂程度如何，模拟异步电子技术都是立即整合原始神经刺激的最有前途的方法。此外，最近构建定量神经元计算模型的工作集中在将Hodgkin-Huxley（HH）模型推广到多通道模型上。

巴斯大学的科学家团队与瑞士苏黎世大学，新西兰奥克兰大学和一些意大利研究人员的同事紧密合作。他们共同设计了第一个人工神经元，旨在恢复各种神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症）所损害的功能。这项研究发表在“自然通讯”杂志上。

阿兰说：“任何存在退化性疾病的地方，例如阿尔茨海默氏病，或者由于年龄，疾病或受伤而神经元停止正常放电的地方，从理论上讲，您可以用合成电路代替有故障的生物电路。”巴斯大学的物理学家Nogaret是该项目的负责人。

该团队生产的芯片是基于硅的微型设备，其模仿生物离子通道模拟了真实神经元的“功”。目的是使这些芯片修复由退行性疾病引起的损害，恢复神经回路的主要功能。在实践中，它们代表那里神经管被打断的连接桥。

这些芯片植入物仅消耗140纳瓦，大约是微处理器所需能量的十亿分之一。超低能耗非常重要，因为这意味着该芯片可以完全依靠能量收集而无需电池工作。

科学家们的下一个目标将是研究采用微创和非手术方法来应用深部脑刺激，使阿尔茨海默氏病患者更容易获得这种治疗，从而更容易支持人工智能的实施。

固态神经元，或者说是电子流，在广泛的模拟大脑环境的当前算法的刺激下，对生物神经元的反应几乎相同。未来的挑战肯定会涉及到响应的效率以及通过深度学习工具对模型的改进。第一个硅神经元是所谓的生物电子医学的一个例子，该生物电子医学通过人工材料模仿自然的电路和过程。图1和2显示了科学文章中发表的电路分析和相关仿真的研究。

图1：仿生固态离子通道。a）离子种类α的电导由激活门和失活门调节。净离子电流Iα是激活电流（Im）和失活电流（Ih）之差。Heaviside函数θ（）指定当Im> Ih时电流镜输出正电流Iα，否则返回0。b）神经元膜的等效电路。c–g）（c）栅极恢复时间，（d）电流镜，e）电流倍增，（f）跨导放大和（g）S型激活/失活的子电路框图。图片：自然通讯）

图2：使用固态神经元的双胞胎实验。a）由电流协议刺激的超阈值振荡与电流阶跃（蓝线）刺激的亚阈值神经元的膜电压（黑线）。b）模型针对不同电流预测的膜电压。c）膜电压振荡的细节。d）预测的几个状态变量的时间依赖性。e）同化窗口上动作电位的相图。图片：自然通讯）

所讨论的芯片是在医学中实施纳米电子技术的一项技术飞跃。此外，有可能为几个重要参数安装GPS和其他控制解决方案。微电子和超低功耗解决方案的优势使所有这些成为可能。该芯片可以在特定时间激活各种信号，测量心率并获取血压，血糖水平等等。综上所述，彻底治愈有史以来最严重的疾病的道路变得越来越有效。纳米电子学的进步正在将我们转变为越来越“互联”的数字人类。

编辑：hfy