陳曉東，新加坡國家科學院院士、新加坡工程院院士，新加坡南洋理工大學材料科學與工程校長講席教授，兼任南洋理工大學化學與醫(yī)學教授，新加坡科學與技術(shù)研究院（A*STAR）材料科學與工程方向首席科學家，新加坡科技研究局材料與工程研究院科學總監(jiān), 新加坡南洋理工大學柔性器件創(chuàng)新中心主任和Max Planck–NTU 人工智能感知聯(lián)合實驗室主任，英國皇家化學會會士。2022年起擔任ACS Nano主編。
陳曉東教授的主要研究方向是力材科學，數(shù)字化傳感，柔性電子技術(shù)，人機交互界面等，目前在Nature，Nature Electronics，Nature Communications等期刊發(fā)表論文340余篇，引用30000余次，多項研究成果轉(zhuǎn)化，曾獲南洋研究獎，Lubrizol青年材料科學研究員獎，洪堡基金會貝塞爾研究獎，三井化學-SNIC產(chǎn)業(yè)獎等獎勵。
腦機接口通常依靠電生理信號來解釋和傳輸神經(jīng)信息。然而，在生物系統(tǒng)中，神經(jīng)遞質(zhì)是基于化學的中間神經(jīng)元信使。這種不匹配可能會導(dǎo)致對傳輸?shù)纳窠?jīng)元信息的錯誤解釋。為了與生物神經(jīng)元進行化學交流，生物電子學至少應(yīng)具備三個基本功能：神經(jīng)遞質(zhì)識別、突觸可塑性、動作電位的激發(fā)和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。
為了構(gòu)建智能系統(tǒng)，已經(jīng)開發(fā)了許多神經(jīng)形態(tài)裝置，例如相變神經(jīng)元、人工傳入神經(jīng)、人工傷害感受器和光電感覺運動突觸。這些系統(tǒng)僅對電或物理信號（例如壓力、溫度和光刺激）做出響應(yīng)，不能直接與生物神經(jīng)元交互，也不能直接感知神經(jīng)遞質(zhì)。然而，由于缺乏閾值尖峰和神經(jīng)遞質(zhì)釋放功能，與生物神經(jīng)元建立完整的神經(jīng)遞質(zhì)通信回路仍然是一項挑戰(zhàn)。
鑒于此，南洋理工大學陳曉東、南京醫(yī)科大學胡本慧聯(lián)合南京郵電大學的研究人員報告了一種化學介導(dǎo)的人工神經(jīng)元，它可以接收和釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺。人工神經(jīng)元實現(xiàn)了神經(jīng)遞質(zhì)識別、突觸可塑性、閾值放電和神經(jīng)遞質(zhì)釋放等基本功能。
圖|神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的人工神經(jīng)元的概念圖
研究人員使用多巴胺 (DA)用作該系統(tǒng)中的神經(jīng)遞質(zhì)模型。該人工神經(jīng)元是一個完全集成的順序操作系統(tǒng)，包含三個主要組件：
1）DA 電化學傳感器，使用碳納米材料，線性檢測范圍從 1.0?μM 到 1.5?mM，跨越生物突觸間隙中的 DA 濃度，靈敏度為 419.9?μA?cm -2?mM-1；
2）具有長期可塑性（LTP）和短期可塑性（STP）的憶阻器器件；
3）一種 DA 封裝的熱響應(yīng)水凝膠，可在 37.5 至 43.5°C 的溫度窗口中釋放 DA。
圖|人工神經(jīng)元單個構(gòu)件的表征
人工神經(jīng)元中的化學信息流遵循三個步驟：
1）DA 分子以電流信號響應(yīng)作為輸出激活傳感器；
2）通過電流信號對憶阻器的內(nèi)阻狀態(tài)進行自適應(yīng)調(diào)制；
3）當憶阻器電阻達到目標值時開啟加熱器，從而觸發(fā)DA從水凝膠中釋放。人工神經(jīng)元提供了生物中間神經(jīng)元的基本功能，對數(shù)十微摩爾的DA敏感，并能夠在相同濃度范圍內(nèi)適應(yīng)性地釋放DA。
圖|中間神經(jīng)元的系統(tǒng)演示
研究人員表明，人工神經(jīng)元可以響應(yīng)含兒茶酚胺的大鼠嗜鉻細胞瘤 (PC12) 細胞的 DA 胞吐作用并釋放 DA 以激活 PC12 細胞，從而實現(xiàn)類似于中間神經(jīng)元的化學通訊。研究人員還證明了人工神經(jīng)元可以使DA刺激觸發(fā)鼠腿或機器人手的可控反饋。該方法向化學腦機接口邁出了一步，為神經(jīng)假肢、人機交互和交互式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展提供了新途徑。
圖|用于神經(jīng)接口的人工神經(jīng)元
綜上所述，本文報道了一種化學介導(dǎo)的人工神經(jīng)元，能夠接收和釋放具有突觸可塑性的 DA。這些功能是使用包含三個構(gòu)建塊的集成系統(tǒng)實現(xiàn)的：基于CNT/GO納米復(fù)合材料的 DA 電化學傳感器、Ag NPs-絲素蛋白/Ag 憶阻器和溫度敏感的 PVA/SiO2/DA 水凝膠。這種化學 BMI 可以補充電子腦機接口，可能使神經(jīng)元信息得到正確和全面的解釋，以用于神經(jīng)假肢、人機交互和機器人構(gòu)建。
參考文獻：
Wang, T., Wang, M., Wang, J. et al. A chemically mediated artificial neuron. Nat Electron (2022).
https://doi.org/10.1038/s41928-022-00803-0
