人工神經(jīng)元再進(jìn)一步，存儲(chǔ)記憶已成現(xiàn)實(shí)

科學(xué)家們構(gòu)建出了一種合成腦細(xì)胞的關(guān)鍵部分，這些合成細(xì)胞能在毫秒級別上留存記憶，這一成果在將來可能會(huì)使類腦計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

這些合成出的關(guān)鍵部分采用離子來產(chǎn)生電信號(hào)——與我們大腦中神經(jīng)元傳輸信息的方式相同。

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)可以做很多不可思議的事，但是這依賴于相當(dāng)高的能耗；與之相反，人腦卻格外高效——大約兩個(gè)香蕉提供的能量就可以支撐它一天的工作。科學(xué)家們推測，如果我們能制作出像人腦一樣的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的能耗會(huì)大大降低（雖然這背后的機(jī)制還并不清楚）。而復(fù)刻人腦生物機(jī)制的一種方法就是像大腦一樣利用離子去產(chǎn)生電流。

- Jacob Stead -

在這項(xiàng)于8月6日發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的研究中，來自法國巴黎國家科學(xué)研究中心（Centre national de la recherche scientifique）的科研人員們構(gòu)建了一個(gè)人造神經(jīng)元的計(jì)算機(jī)模型。和大腦中的神經(jīng)元一樣，這個(gè)模型可以用電信號(hào)傳輸信息。研究者輸送離子跨越水薄層，以此來模擬真實(shí)的離子通道；如此，這些人造神經(jīng)元能夠產(chǎn)生和大腦中神經(jīng)元一樣的電發(fā)放。目前，在一項(xiàng)正在進(jìn)行且尚未發(fā)表的工作中，他們甚至還構(gòu)建了帶有這些離子通道的實(shí)體模型。

“就我所知，這還是人們第一次用離子做到了這些。”這項(xiàng)研究的共同作者、來自巴黎高等師范學(xué)院（école Normale Supérieure）的物理學(xué)家萊德里克·博凱（Lydéric Bocquet）說道。

在更精細(xì)的層面上，研究人員構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)來模擬動(dòng)作電位的產(chǎn)生（動(dòng)作電位即神經(jīng)元的電發(fā)放活動(dòng)，是大腦行為的基礎(chǔ)）。神經(jīng)元在產(chǎn)生動(dòng)作電位之前細(xì)胞膜處于靜息電位（靜息電位下細(xì)胞膜處于極化狀態(tài)，膜電位內(nèi)負(fù)外正）。當(dāng)刺激引起細(xì)胞外的陽離子內(nèi)流時(shí)，細(xì)胞膜發(fā)生去極化。當(dāng)去極化達(dá)到閾值時(shí)電壓門控的離子通道會(huì)開放，使得更多的陽離子進(jìn)入細(xì)胞，直到膜內(nèi)電位達(dá)到最大值后重新極化（朝著靜息電位的方向極化過程中可能還會(huì)超過靜息電位的絕對值，這被稱為超極化），這一過程歷時(shí)幾個(gè)毫秒。

為了模擬電壓門控的離子通道，研究人員對兩層石墨烯之間的水薄層進(jìn)行了建模。在模擬中，研究者分別以一個(gè)水分子、兩個(gè)水分子、三個(gè)水分子的厚度對水層進(jìn)行建模，并且將水層表征成了準(zhǔn)二維的狹縫*。博凱指出，研究人員之所以使用二維的環(huán)境進(jìn)行模擬，是因?yàn)槲⒘Ｔ诙S環(huán)境下所受的作用更強(qiáng)，并且會(huì)展現(xiàn)出與三維環(huán)境中完全不同的性質(zhì)。研究人員認(rèn)為這兩種特性或許對他們的實(shí)驗(yàn)有幫助。

根據(jù)原論文，該狹縫之所以為“準(zhǔn)二維”，是因?yàn)閮蓪邮┲g的距離限制了離子的縱向運(yùn)動(dòng)，并且由成對作用勢（pair-wise interaction potential）可以導(dǎo)出，當(dāng)兩個(gè)離子間距小于某一值時(shí)，其相互作用急劇增大，在“準(zhǔn)平面”內(nèi)的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向作用。因此，該狹縫內(nèi)的離子可以近似看作在一個(gè)平面（二維）內(nèi)運(yùn)動(dòng)。但是該狹縫仍有厚度，所以被稱為“準(zhǔn)二維”。-

“在物理學(xué)中，二維是不常見的”，博凱說道，“所以你可以期待一些新發(fā)現(xiàn)。”

- Dani Arias -

在對這個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真測試時(shí)，科研人員發(fā)現(xiàn)：當(dāng)給離子通道施加一定的電場時(shí)，水中的離子會(huì)形成一種蠕蟲狀的結(jié)構(gòu)；當(dāng)施加更強(qiáng)的電場時(shí)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)以足夠慢的速度分解，從而留下某種記憶（或是說關(guān)于這種長型結(jié)構(gòu)的某種信息）。

當(dāng)研究者把兩個(gè)人造離子通道和一些其他的部件連接起來去進(jìn)行模擬時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型可以產(chǎn)生類似于動(dòng)作電位的電發(fā)放，并且它還可以“記住”同一種屬性的兩種不同狀態(tài)——一種是離子導(dǎo)電率高的狀態(tài)，另一種是導(dǎo)電率相對低的狀態(tài)。在這次模擬中，關(guān)于離子狀態(tài)的記憶留存了幾毫秒。這差不多就是真實(shí)神經(jīng)元從產(chǎn)生動(dòng)作電位到恢復(fù)靜息狀態(tài)所需的時(shí)間。對于離子來說，這已經(jīng)是相當(dāng)長的時(shí)間了，因?yàn)樗鼈兊幕顒?dòng)時(shí)間尺度通常都是在納秒級別甚至更短。在真實(shí)神經(jīng)元中，動(dòng)作電位就等同于神經(jīng)元的細(xì)胞記憶；我們的大腦通過打開和關(guān)閉離子通道去創(chuàng)造這樣的記憶。

“最后我們得到的模型和現(xiàn)實(shí)中的記憶十分相似，但是這個(gè)現(xiàn)象背后的機(jī)制十分不同。”博凱說道。

- Gasp art -

這個(gè)新模型是基于一種叫做“記憶電阻”的電子元件。它有一種獨(dú)特的特性：它可以從過去的活動(dòng)中留存信息。不過現(xiàn)有的記憶電阻并不像人腦一樣使用液體作為活動(dòng)基礎(chǔ)。

“我和學(xué)界其他人采用的記憶電阻，都是典型的凝聚態(tài)記憶電阻。”來自喬治華盛頓大學(xué)電子計(jì)算機(jī)工程系的助理教授吉娜·亞當(dāng)（Gina Adam）說道，她并未參與到此次研究中。她補(bǔ)充說，這項(xiàng)新研究中的液態(tài)記憶電阻“很有發(fā)展前景，也很有趣”。

她還指出，這項(xiàng)研究可以幫助科學(xué)家更好地理解大腦處理信息的過程，發(fā)展出類腦計(jì)算的新理論——盡管我們可能離實(shí)用的類腦計(jì)算機(jī)還有很長一段路。

- Daniela Gamba -

博凱說，他和他在曼徹斯特大學(xué)的合作者們已經(jīng)用計(jì)算機(jī)模擬了人工突觸（神經(jīng)元之間傳遞電信號(hào)的部分）。這一技術(shù)的應(yīng)用讓他們的理論付諸實(shí)現(xiàn)，而且他們已經(jīng)開始在人工突觸上做實(shí)驗(yàn)了。

“這像一個(gè)游樂場一樣，令人十分興奮”，博凱說，“我們現(xiàn)在可以主動(dòng)地去探索這些東西了。”