智能系統(tǒng)能夠感知并對(duì)其環(huán)境做出有意義的行為，這取決于受神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部工作啟發(fā)的電子技術(shù)的發(fā)展。這種與生物共享類似計(jì)算原語(yǔ)（即基本生物計(jì)算功能）的神經(jīng)形態(tài)電子也可以通過(guò)增強(qiáng)人工和生物域之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的生物電子接口。神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的基本元件，其功能是神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)仿生的原型。神經(jīng)元通過(guò)發(fā)射棘波序列相互交談，并應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境中的各種信號(hào)，因?yàn)樗鼈儗?duì)離子、神經(jīng)遞質(zhì)甚至噪聲都有選擇性的反應(yīng)。基于非線性（負(fù)微分電阻）現(xiàn)象的人工神經(jīng)元捕捉生物神經(jīng)元的尖峰多樣性。然而，這種人工神經(jīng)元不能在生物環(huán)境中原位發(fā)揮作用。其他在生物環(huán)境中部分運(yùn)作的當(dāng)代神經(jīng)元是非尖峰的，由多種成分組成，或無(wú)法捕捉神經(jīng)元活動(dòng)的多樣性。這種缺乏生物現(xiàn)實(shí)主義導(dǎo)致人工和生物域之間的功能不匹配和信息丟失。因此，人工神經(jīng)元通常不能在生物環(huán)境中運(yùn)行，這限制了它們與生物組件交互和提供逼真的神經(jīng)元仿真的能力。鑒于此，在尋求設(shè)計(jì)一種電子元件來(lái)模擬其生物對(duì)應(yīng)物的尖峰特性的過(guò)程中，馬克斯普朗克聚合物研究所Paschalis Gkoupidenis和布雷西亞大學(xué)Fabrizio Torricelli等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種由有機(jī)軟物質(zhì)制成的人工神經(jīng)元，它在潮濕的生物環(huán)境中運(yùn)行并顯示神經(jīng)元信號(hào)的基本特性。這種有機(jī)人工神經(jīng)元 (organic artificial neuron, OAN) 的活性材料是一種有機(jī)混合離子電子導(dǎo)體。由于這種混合傳導(dǎo)，OAN 對(duì)生物環(huán)境中存在的常見離子、生物分子和神經(jīng)遞質(zhì)物質(zhì)有反應(yīng)。研究人員在設(shè)計(jì)緊湊的OAN 的離子電子響應(yīng)中引入了非線性（S 形負(fù)微分電阻）；到目前為止，這些非線性僅在固態(tài)人工神經(jīng)元中有報(bào)道。非線性與（生物）傳感基元的結(jié)合使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有多種尖峰現(xiàn)象和對(duì)生物學(xué)固有的常見離子和生化信號(hào)的響應(yīng)的生物逼真人工神經(jīng)元。與生物神經(jīng)元類似，OAN 在生理和病理離子濃度范圍內(nèi)的液體中運(yùn)行。當(dāng)離子濃度在生物相關(guān)基線上發(fā)生微小變化時(shí)，OAN的尖峰活性可迅速改變（啟動(dòng)或抑制放電），而多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)則啟動(dòng)或停止尖峰。OAN顯示了生物神經(jīng)元中也存在的各種尖峰模式，包括規(guī)則、半規(guī)則、間斷、輸入和時(shí)間依賴性放電。通過(guò)結(jié)合離子選擇性膜，OAN表現(xiàn)出離子特異性振蕩，因此模擬了生物離子通道的動(dòng)力學(xué)。圖|基于原位尖峰的神經(jīng)形態(tài)傳感最后，研究人員通過(guò)創(chuàng)建生物雜交神經(jīng)元展示了OAN與上皮細(xì)胞膜的原位和協(xié)同操作，其中人工部分的發(fā)射特性通過(guò)生物膜的阻抗?fàn)顟B(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。圖|用于原位基于脈沖的神經(jīng)形態(tài)生物接口的生物混合神經(jīng)元綜上所述，研究人員開發(fā)了一種人工神經(jīng)元，它可以準(zhǔn)確地模擬神經(jīng)元信號(hào)過(guò)程，并具有原位神經(jīng)形態(tài)傳感和生物接口的能力。這個(gè)概念是一個(gè)有價(jià)值的平臺(tái)，可控地對(duì)生物電路進(jìn)行逆向工程，了解它們?cè)谇逦沫h(huán)境中的功能，并在體外模擬它們的生理和病理狀態(tài)。這種人工成分也可能是開發(fā)用于恢復(fù)、替代甚至增強(qiáng)神經(jīng)系統(tǒng)功能的生物現(xiàn)實(shí)神經(jīng)元替代物的關(guān)鍵。然而，該技術(shù)仍有改進(jìn)的余地，因?yàn)?OAN 可以集成到更緊湊的形式中，并且可以對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行微調(diào)以更緊密地匹配生物學(xué)領(lǐng)域。還應(yīng)開發(fā)具有不同離子化學(xué)特性的新材料。盡管如此，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化研究仍然需要付出相當(dāng)大的努力來(lái)提高集成密度并減少設(shè)備間的可變性。一個(gè)基本的限制是與生物電路的哪些計(jì)算原語(yǔ)是逆向工程以實(shí)現(xiàn)高效人工組件的關(guān)鍵相關(guān)的不確定性。解決這個(gè)問(wèn)題是一項(xiàng)持續(xù)的探索，需要工程師、材料科學(xué)家和生物學(xué)家之間開放的溝通渠道。接下來(lái)的步驟包括引入更現(xiàn)實(shí)的功能，例如記憶、包含自我維持組件的代謝途徑以及復(fù)雜神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)的模擬。未來(lái)的研究方向?qū)⒊咝А⒍嗄Ｊ胶同F(xiàn)實(shí)的生物界面發(fā)展。Sarkar, T., Lieberth, K., Pavlou, A. et al. An organic artificial spiking neuron for in situ neuromorphic sensing and biointerfacing. Nat Electron (2022).https://doi.org/10.1038/s41928-022-00859-y
