科学家们创造了一种复制视网膜的生物芯片，为医疗植入、神经元研究和人工智能带来了进步。这种柔性有机半导体在治疗神经系统疾病和提高计算效率方面具有潜在的应用。
科学家们创造了一种复制视网膜的生物芯片，为医疗植入、神经元研究和人工智能带来了进步。这种柔性有机半导体在治疗神经系统疾病和提高计算效率方面具有潜在的应用。
由来自于利希的 Francesca Santoro 领导的一个国际研究小组开发了一种模仿人类视网膜的生物芯片。这项创新是生物电子学领域更广泛努力的一部分，旨在修复身体和大脑功能障碍。该芯片的开发是来自于利希研究中心、亚琛工业大学、意大利理工学院和那不勒斯大学的专家们的合作成果。他们的工作和发现发表在《自然通讯》杂志上。
人与机器的融合是科幻叙事的缩影。在现实生活中，迈向这种机器人的第一步早已迈出：人们拥有起搏器来治疗心律失常，或植入人工耳蜗来改善听力，而视网膜植入物则可以帮助几乎失明的人至少看到一点东西。一种新的芯片可以帮助视网膜植入物在未来更好地与人体融合。它基于导电聚合物和光敏分子，可用于模仿视网膜，并具有视觉通路。它是由于利希生物电子研究所 (IBI-3) Francesca Santoro 的研究小组与亚琛工业大学、热那亚意大利理工学院和那不勒斯大学合作开发的。
“我们的有机半导体能够识别照射在其上的光线量。类似的事情也发生在我们的眼睛里。到达各个感光器的光量最终会在大脑中形成图像。”亚琛工业大学神经电子接口教授、意大利理工学院客座研究员 Santoro 解释道。
多功能芯片
这种新型半导体的独特之处在于，它完全由无毒的有机成分组成，具有柔性，并且可以与离子（即带电原子或分子）一起工作。因此，它可以比传统的硅半导体元件更好地集成到生物系统中，传统的硅半导体元件是刚性的，只能与电子一起工作。 “我们的身体细胞专门使用离子来控制某些过程和交换信息，”研究人员解释道。然而，她强调，到目前为止，这一进展只是一个“概念验证”。该材料被合成，然后进行表征：“我们能够证明视网膜的典型特性可以用它来模仿，”她说。
弗朗西斯卡·桑托罗教授。图片来源：意大利理工学院
研究人员已经在考虑另一种可能的应用：该芯片还可以充当人工突触，因为光照射会改变短期和长期使用的聚合物的电导率。真正的突触以类似的方式工作：例如，通过传递电信号，它们改变其大小和效率，这是我们大脑学习和记忆能力的基础。桑托罗展望未来：“在未来的实验中，我们希望将这些组件与生物细胞结合起来，并将许多单独的细胞连接在一起。”
了解神经元
除了人造视网膜之外，桑托罗的团队还在开发其他生物电子芯片方法，这些芯片可以以类似的方式与人体（特别是神经系统细胞）相互作用。 “一方面，我们试图复制神经细胞的三维结构，另一方面，我们也试图复制它们的功能，例如处理和存储信息。”
他们在人造视网膜中使用的生物聚合物被证明是合适的原材料。 “我们可以用它们来重现人类神经细胞的分支结构及其许多树突。你可以把它想象成一棵树，”科学家解释道。这很重要，因为真实细胞更喜欢这种分支的三维结构而不是光滑的表面，从而与人造细胞建立紧密的接触。
首先，不同的生物芯片可用于研究真实的神经元，例如细胞信息交换。其次，桑托罗和她的团队希望有一天他们能够利用其成分积极干预细胞的通讯途径，从而引发某些效果。例如，桑托罗正在考虑纠正帕金森病或阿尔茨海默病等神经退行性疾病或不再正常运作的支持器官中发生的信息处理和传输错误。此外，此类组件还可以充当假肢或关节之间的接口。
计算机技术也可以受益。由于其特性，这些芯片注定要作为人工神经网络的硬件。到目前为止，人工智能程序仍在使用无法适应其结构的经典处理器。他们只是通过复杂的软件来模仿改变神经网络的自学习工作原理。这是非常低效的。人工神经元可以弥补之前的缺陷：“它们将使计算机技术能够模仿大脑各个层面的工作方式，”桑托罗说。
参考文献：
“用于神经混合构建模块的基于偶氮苯的光电晶体管”作者：Federica Corrado、Ugo Bruno、Mirko Prato、Antonio Carella、Valeria Criscuolo、Arianna Massaro、Michele Pavone、Ana B. Muñoz-García、Stiven Forti、Camilla Coletti、Ottavia Bettucci和 Francesca Santoro，2023 年 11 月 2 日，《自然通讯》。
DOI：10.1038/s41467-023-41083-2