突破性的电子细胞可以像人脑一样学习

一种创新的新型人工突触可以为创造像人脑一样操作的计算机铺平道路，并有可能有一天允许电子设备与我们自己的皮层无缝集成。神经形态计算旨在根据生物大脑的工作方式对电子电路进行建模，但试图让这些电路像我们头骨内生长的一样有效地运行——以及像脑细胞一样学习——已被证明是棘手的。

最大的挑战之一是互连。在大脑中，突触将神经元连接在一起，用于在它们之间传递所谓的“动作电位”。这些是非常低的电荷信息，在 80 毫伏左右。

然而，试图将计算机的互连水平降低到类似的水平一直是一个巨大的障碍。例如，通常情况下，他们会看到 1+ 伏的电荷。这意味着构建人工“大脑”的尝试因效率低下而受阻。

现在，马萨诸塞大学阿默斯特分校的一个团队声称已经找到了一种人工替代生物突触的方法。在他们对蛋白质纳米线的研究中，他们提出了一种神经形态忆阻器或“记忆晶体管”的设计，它在与大脑相同的电压范围内工作。这项技术的研究今天发表在Nature Communications 上。

蛋白质纳米线是从细菌取地杆菌，通过老乡马萨诸塞大学阿默斯特微生物学家和新的研究中，德里克可爱的合着者开发的。与一直是该领域研究人员关注的另一个领域的硅纳米线相比，它们的优点是在水或体液等液体中更稳定。通过从细菌上剪下纳米线，他们可以将导电蛋白用于他们的实验。

研究合著者姚军解释说：“这是第一次设备可以在与大脑相同的电压水平下运行。” “人们可能甚至不敢希望我们能创造出一种与大脑中的生物对应物一样高效的设备，但现在我们有了超低功耗计算能力的现实证据。这是一个概念上的突破，我们认为它将引起对在生物电压范围内工作的电子产品的大量探索。”

通过将带正电荷和负电荷的微小开关脉冲通过忆阻器中的纳米线，在内部创建了新的品牌和连接。研究人员说，这类似于人类大脑的学习方式，建立新的连接作为记忆。

“你可以调节纳米线-忆阻器突触的电导率或可塑性，这样它就可以模拟仿脑计算的生物成分，”姚说。与传统计算机相比，该设备具有非基于软件的学习能力。”

然而，为了真正有用，速度必须与生物突触相匹配。研究人员说，达到这一点大约需要两年时间。我们距离构建真正的人工大脑还有一段路要走，但姚和研究第一作者傅天大认为还有其他应用是可能的。这可能包括更好地监测心率的设备，为最终“可以与生物系统中的实际神经元对话”的设备铺平道路，姚建议。

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