工程师创造第一个可以直接与活细胞交流的人造神经元

排行榜 2025年10月03日 12:07 0 admin

信息来源：https://techxplore.com/news/2025-09-artificial-neurons-communicate-cells.html

马萨诸塞大学阿默斯特分校工程师团队在仿生计算领域取得了历史性突破，成功创造出第一个能够直接与活体神经元进行电通信的人工神经元。这项发表在《自然通讯》期刊的研究不仅解决了困扰科学家多年的低电压操作难题，更为开发超高效生物计算机和直接与人体神经系统交互的医疗设备开辟了革命性道路。

与以往需要高达1伏电压才能工作的人工神经元不同，新设计的人工神经元仅需0.1伏电压即可正常运行，这一数值与人体天然神经元的工作电压完全匹配。这种突破性的电压控制使得人工神经元首次具备了与活体神经元直接连接的能力，为神经接口技术和脑机连接应用奠定了坚实基础。

研究的主要作者、电气和计算机工程研究生傅帅指出："我们的大脑处理大量数据，但其功耗极低，尤其是与运行ChatGPT等大型语言模型所需的电量相比。"这一对比揭示了当前计算技术与生物系统之间巨大的效率差距，也凸显了仿生计算研究的重要意义。

发电细菌蛋白质的神奇应用

Fu 和他的同事已经建立了第一个可以直接与活体神经元接口的人工神经元。图片来源：Jun Yao。

这项突破的关键在于研究团队对硫还原地杆菌蛋白质纳米线的创新应用。硫还原地杆菌是一种具有发电能力的非凡细菌，能够合成具有独特导电特性的蛋白质纳米线。这些生物源导电材料不仅具有优异的电学性能，更重要的是它们与生物系统具有天然的兼容性。

项目资深作者、电气与计算机工程副教授姚军解释说："以前版本的人工神经元使用的电压和功率都是我们创建的神经元的10倍。"这种巨大的差异不仅意味着能效的显著改善，更重要的是解决了生物兼容性问题。高电压会对活体神经元造成损害，使得传统人工神经元无法直接与生物神经系统连接。

蛋白质纳米线的应用代表了材料科学与生物工程交叉领域的重要进展。这些纳米级的生物导线不仅保持了生物材料的温和特性，同时具备了精确的电学控制能力。通过精心设计的结构，研究团队成功实现了对电流和电压的精密调控，使人工神经元能够模拟真实神经元的电生理行为。

仿生计算的能效革命

人脑与现代计算机之间的能效差异令人震惊。人脑仅需约20瓦功率即可完成复杂的认知任务，而大型语言模型可能需要消耗超过一兆瓦的电力来完成同样的工作。这种超过10万倍的能效差距表明，基于生物原理的计算架构具有巨大的发展潜力。

新开发的人工神经元为缩小这一差距提供了实际可行的技术路径。通过模拟生物神经元的工作机制，这些人工器件能够在极低功耗下实现复杂的信号处理功能。这不仅对开发下一代节能计算设备具有重要意义，更为构建大规模神经网络计算系统提供了新的可能性。

当前的人工智能系统虽然在某些特定任务上表现出色，但其巨大的能耗需求已成为可持续发展的重要障碍。数据中心的能源消耗占全球用电量的显著比例，而这一比例还在持续增长。基于生物原理的低功耗计算技术可能为解决这一挑战提供关键突破口。

医疗设备的智能化变革

这项技术突破对医疗设备领域的影响可能更为直接和深远。姚军教授指出："我们目前拥有各种可穿戴电子传感系统，但它们相对笨重且效率低下。每次感知到来自身体的信号时，都必须对其进行电放大，以便计算机分析。"

传统医疗监测设备需要通过信号放大器来处理来自人体的微弱生物电信号，这一中间步骤不仅增加了功耗，还增加了电路的复杂性和设备的体积。新开发的低压神经元可以直接处理生物电信号，完全消除了信号放大的需求，从而实现更加紧凑、高效的医疗监测设备。

这种技术进步为开发新一代植入式医疗设备开辟了可能性。能够直接与神经系统通信的人工神经元可以实现更精确的神经刺激治疗，为帕金森病、癫痫、抑郁症等神经系统疾病的治疗提供新的选择。同时，这些设备的低功耗特性将显著延长植入设备的工作寿命，减少患者进行手术更换的频率。

技术扩展与未来应用

研究团队之前已经利用硫还原地杆菌的蛋白质纳米线开发出多种创新设备，包括由汗水供电的生物膜、能够检测疾病的"电子鼻"，以及可以从环境中收集电能的装置。这些应用展示了生物材料在电子设备中的广阔前景。

新开发的人工神经元技术有望进一步扩展这些应用领域。在脑机接口方面，低电压操作特性使得这些人工神经元能够安全地与大脑皮层直接连接，为瘫痪患者控制外部设备或恢复运动功能提供新的可能性。在神经修复领域，这些设备可能用于桥接损伤的神经连接，帮助脊髓损伤患者恢复感觉和运动功能。

人工神经元技术还可能在人工智能硬件设计中发挥重要作用。通过构建基于生物原理的神经网络处理器，可能实现更加高效和智能的计算系统。这种处理器不仅具有极低的功耗，还能够处理模糊、不完整或存在噪声的信息，这些都是传统数字计算机的弱项。

随着技术的进一步成熟，这些人工神经元可能被集成到更复杂的生物混合系统中，实现生物组织与电子设备的无缝融合。这种技术路径可能最终导致真正的生物-电子混合智能系统的出现，结合生物系统的适应性和电子系统的精确性。

这项研究标志着仿生工程和神经接口技术发展的重要里程碑，为未来开发更加智能、高效且与生物系统兼容的电子设备奠定了坚实的科学基础。

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