全球首款人工神经元硅芯片发布,可拯救阿尔兹海默症患者

阅读数:1507 2019 年 12 月 7 日 14:00

全球首款人工神经元硅芯片发布,可拯救阿尔兹海默症患者

阿尔茨海默病是西方社会老年痴呆症发生的最主要病因。全球约有 3500 万患者挣扎在记忆缺失、意识模糊、易怒、正常机体功能逐步丧失的痛苦中。而近期由巴斯大学研究团队主导研发的一款人工神经元硅芯片或许将成为拯救这类患者的福音。

近日,一群来自巴斯大学、布里斯托尔大学、苏黎世大学和奥克兰大学的研究人员在《自然通讯》上发表了一项研究,这项研究中对中人工神经元进行了描述。值得一提的是,这个由多个大学的研究人员共同组织的研究小组首次成功地将生物神经元的电特性复制到半导体芯片上。

早在 2015 年,一群来自浙江大学与杭州电子科技大学的年轻研究者们研发出了一款称为“达尔文”的类脑芯片。这款芯片是国内首款基于硅材料的脉冲神经网络类脑芯片。该芯片主要面向智慧物联网应用,能够完成手势识别、图像识别语音识别、脑电识别等多个应用开发。日前巴斯大学科学家们发明的这款人工神经元芯片主要用途是治疗心脏衰竭 / 阿尔兹海默症等慢性疾病。

全球首款人工神经元硅芯片发布,可拯救阿尔兹海默症患者

科学家称,这款“人工神经元硅芯片”用起来就像真实的生物神经元一样,它将在治疗心脏衰竭、阿尔茨海默病和其他神经元退化性疾病中发挥着巨大作用。更重要的是,这款人工神经元不仅在实用性上可与生物神经元媲美,而且它的功率只有 140 纳瓦,是微处理器的十亿分之一(其他合成神经元都选择使用微处理器),这意味着它以后可以广泛应用在医疗植入物和其他生物电子设备中。

芯片的一小步,医疗发展的一大步

由于生物学复杂晦涩,且神经元反应也难以预测,因此人工神经元的发展举步维艰。

1928 年,现代神经科学之父圣地亚哥·拉蒙 - 卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)宣称,成年人的大脑永远不会产生新的神经元。因此,几十年来,设计出能像人类真实神经元一样回应从神经系统传出来的电子信号的人工神经元一直是医学届的首要目标。因为它对修复神经元无法正常工作、在脊髓中受损或神经元死亡尤为重要。人工神经元可以通过复制其健康功能和对生物反馈做出充分反应来恢复机体功能,从而修复病变的生物回路。

全球首款人工神经元硅芯片发布,可拯救阿尔兹海默症患者

研究人员成功地建立了模型并推导出方程来解释神经元如何对来自其他神经的电刺激做出反应。实际上,这是个非常复杂的过程,因为这种反应是“非线性的”——换句话说,如果一个信号增强两倍,那么针对信号做出的反应不一定也增强了两倍,也可能是三倍、四倍或其他。

他们设计了能够精确模拟生物离子通道的硅芯片,然后证明了他们的硅芯片神经元能精准地模拟真实的、活神经元对一系列刺激作出回应。研究人员精确地复制了大范围刺激下老鼠的海马神经元和呼吸神经元的完整动态。该项目主导者——巴斯大学物理系教授 Alain Nogaret 称:“迄今为止,神经元就像‘黑匣子’一样神秘莫测,但是我们已经地打开了它并看到了里面的东西。”我们所做的工作堪称人工神经元史上里程碑式的转折,因为它详尽无遗地阐明了如何再生真实神经元电学特性。

惠及社会的广泛应用

那么这款人工智能神经元的具体应用又会朝着哪个方向发展?针对这一问题,Alain Nogaret 称:“例如,我们正在利用这项研究开发智能心脏起搏器,它不仅能刺激心脏以稳定的速度跳动,还能利用这些神经元对心脏的指令做出实时反应——这是健康心脏的自然反应。”其次,它还将用于治疗阿尔茨海默症和更广泛的神经退行性疾病。

全球首款人工神经元硅芯片发布,可拯救阿尔兹海默症患者

“我们的方法包含了多个技术突破。第一,我们可以准确地估算出控制所有神经元行为的精确参数。第二,我们已经建立了相关硬件的物理模型,并证明它有能力成功地模拟真实的活神经元的行为。第三,我们的模型具有很高的通用性,它在一系列复杂哺乳动物的不同类型和不同功能的神经元中都适用。”

该研究的合著者苏黎世大学 Giacomo Indiveri 教授补充说:“这项工作为神经形态芯片的设计开辟了新渠道,因为它采用了独特的方法来识别关键的模拟电路参数。”

结语

以技术突破解决医疗痛点是智慧医疗的终极目标。人工神经元硅芯片用于治疗慢性疾病仅是医学在人工智能领域迈出的一小步。今后,智慧医疗领域的巨大市场将如何划分,能够治疗更多种疾病的科学研究如何落地,都将是未来企业、政府和社会需要思考的问题。

原文链接:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/uob-wfa120219.php

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