仿生神经元突破生物界限：与真实细胞无缝对接的电子大脑

抖音热门 2025年10月02日 21:01 0 aa

信息来源：https://newatlas.com/medical-tech/artificial-neuron-mimic-reality-bioelectronics/

在人工智能技术飞速发展的今天，一项来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的突破性研究正在重新定义电子学与生物学的融合边界。研究人员成功开发出一种人工神经元器件，不仅在功能上完美模拟了真实神经元的行为模式，更在能耗、信号强度和化学响应能力等关键参数上达到了生物水平。这一成就标志着生物电子学领域迎来了里程碑式的进展，为未来的神经修复、脑机接口以及超低功耗计算技术奠定了坚实基础。

与传统的人工神经网络仅在算法层面模拟神经活动不同，这种新型器件在硬件层面实现了对生物神经元的精确复制。通过创新性地采用微生物蛋白质纳米线制造忆阻器，研究团队将器件的工作电压降至仅60毫伏，电流控制在1.7纳安培，这些数值与人脑中真实神经元的参数几乎完全一致。更令人振奋的是，这种人工神经元已经成功与活体人类心肌细胞建立了直接连接，并能够实时响应生物化学信号的变化。

微生物技术驱动的能效革命

传统的人工神经元器件面临的最大挑战之一是能耗过高。现有技术通常需要数百毫伏的工作电压，功耗比生物神经元高出十倍以上。这种差距不仅限制了器件的实际应用，也使得大规模神经网络的构建变得极其困难。

科学家创造了一种人工神经元，这是生物电子学的巨大飞跃Depositphotos

马萨诸塞大学的研究团队找到了一个出人意料的解决方案——利用硫还原地杆菌产生的蛋白质纳米线。这种微生物在极端环境中进化出了高效的电子传输机制，其蛋白质纳米线具有优异的导电性能。当这些生物材料被集成到忆阻器中时，能够显著降低器件的开关电压需求。

"以前版本的人工神经元使用的电压是我们创建的神经元的10倍，功率也是10倍，"项目负责人、电气与计算机工程副教授Jun Yao博士表示。"我们的电压仅为0.1伏，与人体内的神经元大致相同。"

这种超低功耗特性具有深远的意义。人脑虽然拥有约860亿个神经元，但总功耗仅约20瓦，相当于一个普通灯泡的耗电量。相比之下，运行大型语言模型如ChatGPT需要数兆瓦的电力支持。研究生傅帅指出："我们的大脑处理大量数据，但功耗非常低，尤其是与运行大型语言模型所需的电量相比。"

完整神经功能的硬件再现

真实神经元的工作机制极其复杂，涉及电荷积累、去极化、放电和复极化等多个精密协调的阶段。研究团队通过巧妙的电路设计成功重现了这一完整过程。

图表显示了将人工神经元连接到心肌细胞、它记录的传感信号以及神经元作为响应的放电Shuai Fu 等人（2025）

他们将基于蛋白质纳米线的忆阻器集成到一个简单的电阻电容电路中，使系统能够模拟神经元活动的各个关键阶段。在电荷积累阶段，电路缓慢累积电荷，模拟神经元的静息状态到阈值的过程；在去极化阶段，系统产生快速的电压尖峰，对应神经元的动作电位；随后的复极化过程使系统回到静息状态，为下一次激发做好准备。

更重要的是，这种人工神经元还具备了真实神经元的不应期特性——即在一次放电后的短暂时间内无法再次激发。这一特征对于防止神经网络中的异常振荡和维持信号传输的时序性至关重要。

为了进一步提升仿生性能，研究团队在器件中集成了化学传感功能。通过添加能够检测钠离子和多巴胺等神经递质的传感器，人工神经元获得了响应环境化学信号的能力。当检测到特定的离子或神经递质时，传感器会改变电路的电气特性，从而调节神经元的放电模式，这一过程完美模拟了生物神经系统中的神经调控机制。

生物兼容性的实证验证

理论上的成功只是第一步，真正的挑战在于验证这种人工神经元是否能够与活体生物系统和谐共存。研究团队选择了人类心肌细胞作为测试对象，这些细胞具有规律的自发性收缩活动，为验证人工神经元的生物兼容性提供了理想的平台。

实验结果超出了预期。人工神经元不仅成功与心肌细胞建立了稳定的电连接，还能够实时监测和响应细胞活动的变化。当心肌细胞暴露于去甲肾上腺素这种影响心率的药物时，人工神经元立即检测到了细胞活动模式的改变，并相应地调整了自身的放电特性。

这种实时的双向交互能力为未来的生物医学应用开启了无限可能。Jun Yao博士解释说："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，都必须进行电放大才能供计算机分析。而用我们的低压神经元构建的传感器可以在没有任何放大的情况下完成工作。"

颠覆性应用前景展望

这一突破性技术的潜在应用领域极其广泛，几乎涵盖了神经科学、医学和计算科学的各个分支。在神经修复领域，这种人工神经元有望用于治疗帕金森病、癫痫等神经系统疾病。通过植入受损脑区，人工神经元可以替代或补偿失能的生物神经元，恢复正常的神经回路功能。

脑机接口技术也将从中受益匪浅。传统的脑机接口系统往往面临信号兼容性和长期稳定性的挑战，而能够在生物信号水平上运行的人工神经元将大大提升接口的性能和可靠性。这对于瘫痪患者的运动功能恢复和认知能力增强具有重要意义。

在计算领域，这种超低功耗的神经元器件为开发新一代类脑计算硬件提供了关键技术基础。与传统的数字计算不同，神经形态计算能够同时处理存储和计算任务，在处理复杂模式识别和学习任务时具有显著优势。

此外，这种人工神经元在药物研发和毒性检测方面也展现出巨大潜力。通过构建包含人工神经元的体外神经网络模型，研究人员可以更准确地评估药物对神经系统的影响，从而加速新药开发进程并减少动物实验的需求。

尽管这项技术仍处于早期阶段，且目前的实验都在受控的实验室环境中进行，但其展现出的巨大潜力已经吸引了全球科研界的广泛关注。随着技术的不断完善和产业化进程的推进，这种融合了电子学和生物学优势的人工神经元必将为人类健康和科技发展带来革命性的改变。

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