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神经元神经网络神经科学家在芯片上搭建神经元电路

研究人脑神经网络通讯和协调运作,是现代神经科学领域最大的挑战之一。据美国物理学家组织网7月13日(北京时间)报道,最近,以色列特拉维夫大学电力工程学院开发出一种新型芯片实验室平台,利用先进材料和组织工程技术将神经元和电子学结合起来,研究脑神经网络的工作原理。研究论文发表在最新一期《科学公共图书馆·综合》上。

以色列特拉维夫大学电力工程学院博士生马克·史恩说,计算机的逻辑运算建立在人类逻辑的基础上,但计算机的信息处理过程能分解成单个逻辑步骤,而人脑的信息处理过程却不可以。人脑由大量的电路互相连接而成,脑电路工作就像在编码,我们可以通过简化脑神经网络,控制细胞之间的连接,来研究人脑逻辑。

研究人员利用电极和活的神经细胞连接成一种特殊结构,让其在培养皿中生成各种大小不同的神经网络和网络群,并通过一种芯片实验室技术,在芯片上激活神经元电路,观察神经网络在不同化学信号和外部条件下的反应。

通过施加外部刺激,如一道亮光,研究人员能监控视觉神经元的反应。“我们认为这一过程采取了编码策略。”史恩说,相对简单的神经“点亮”方式能被耳朵、眼睛等感官接受,但对更复杂的过程,如“思想”过程或不同的感受器官同时输入、输出,基本还是个黑箱。

研究单个神经元的活动还难以理解整个神经网络的功能,史恩和导师约尔·汉恩教授、物理与天文学院的埃希尔·本-雅可布教授进一步对更大的神经网络电路进行了观察,以寻找大脑信息编码的基本元素。他们利用纳米技术系统工具,同时探测多个神经元的活动方式,特别探测了在大量神经会合的节点处多个神经群之间的沟通联系。

他们在观察这些神经群的时候发现,这些神经群的反应是只凭单个神经元无法预测的,这表示神经网络有一个等级结构,大网络由更小的次级网络构成。研究人员解释说,一个神经群要能支持神经网络的活动,并与其他群互相通讯,这最少需要40个神经元,才能完成其在功能网络中的各种任务。

研究人员还表示,他们开发的工具也可以用来测试新药,或作为一种先进的人工智能,并帮助连接大脑和人造义肢。

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