背景
2010年，光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)被《Nature Methods》雜志評(píng)選為所有科學(xué)與工程領(lǐng)域中“年度最受關(guān)注科技成果技術(shù)”之一，同年《科學(xué)》雜志也在十年技術(shù)回顧中著重強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)技術(shù)。
光遺傳學(xué)，是一項(xiàng)采用光線打開或者關(guān)閉大腦中特定神經(jīng)元組的生物技術(shù)。例如，研究人員采用光遺傳學(xué)刺激來恢復(fù)病人在癱瘓情況下的運(yùn)動(dòng)能力，或者關(guān)閉大腦或脊椎中引發(fā)疼痛的區(qū)域，消除人們對(duì)于阿片類藥物或者其他止痛片的需要以及日益增長(zhǎng)的依賴性。
（圖片來源：維基百科）
光遺傳學(xué)是一項(xiàng)交叉學(xué)科的創(chuàng)新技術(shù)，整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。這項(xiàng)技術(shù)具有獨(dú)特的高時(shí)空分辨率和細(xì)胞類型特異性兩大特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)手段控制細(xì)胞或有機(jī)體活動(dòng)的許多缺點(diǎn)，能對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行非侵入式的精準(zhǔn)定位刺激操作，徹底改變了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究狀況，為神經(jīng)科學(xué)提供了革命性的研究手段。
基于光遺傳學(xué)原理，植入式光電系統(tǒng)用光線控制神經(jīng)元。（圖片來源：Philipp Gutruf）
創(chuàng)新
近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的研究人員從生物科技領(lǐng)域中的一項(xiàng)新興技術(shù)“光遺傳學(xué)”中汲取靈感開發(fā)出一種新設(shè)備，該設(shè)備可以模仿大腦存儲(chǔ)和刪除信息的方式。
（圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)）
這種新芯片是基于一種超薄材料。這種材料會(huì)改變電阻，以響應(yīng)不同波長(zhǎng)的光線，從而能夠模仿大腦中神經(jīng)元存儲(chǔ)和刪除信息的工作方式。
這項(xiàng)技術(shù)在RMIT微納研究中心（MicroNano Research Facility）開發(fā)，相關(guān)論文發(fā)表在《先進(jìn)功能材料（Advanced Functional Materials）》期刊上。
技術(shù)
神經(jīng)連接是通過電脈沖在大腦中產(chǎn)生。當(dāng)微小的能量尖峰達(dá)到特定的閾值電壓時(shí)，神經(jīng)元就會(huì)結(jié)合在一起，這樣你就會(huì)產(chǎn)生記憶。
在芯片上，光線用于生成光電流。切換光線顏色，會(huì)引發(fā)電流從正到負(fù)的方向反轉(zhuǎn)。
這種方向切換，或者說是極性偏移，相當(dāng)于建立或者破壞神經(jīng)連接，這種機(jī)制使得神經(jīng)元連接（引起學(xué)習(xí)）或者抑制（引起遺忘）。
這種機(jī)制類似于光遺傳學(xué)。在光遺傳學(xué)中，光線誘導(dǎo)神經(jīng)元產(chǎn)生變化，使之要么打開要么關(guān)閉，建立或者阻止與鏈中下一個(gè)神經(jīng)元之間的連接。
為了開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，研究人員們采用一種稱為“黑磷（BP）”的材料，它天生就具有缺陷。
對(duì)于光遺傳學(xué)來說，這通常是一個(gè)問題，但是通過精準(zhǔn)的工程設(shè)計(jì)，研究人員能利用缺陷創(chuàng)造出新功能。
Ahmed 表示：“缺陷通常被認(rèn)為是需要避免的，但是在這里，我們用它創(chuàng)造新穎和有用的東西。這是一個(gè)富有創(chuàng)造性的方法，它為我們面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)找到了解決方案。”
價(jià)值
研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人 Sumeet Walia 博士表示，這項(xiàng)技術(shù)使我們更接近可利用大腦全部復(fù)雜功能的人工智能（AI）。
（圖片來源：Johannes Feldmann）
Walia 表示：“我們的光遺傳學(xué)啟發(fā)芯片模仿大自然中最好的電腦（人腦）的基礎(chǔ)生物學(xué)。對(duì)于信息處理技術(shù)來說，可以存儲(chǔ)、刪除和處理信息是非常關(guān)鍵的，而大腦可以非常高效地做到這一點(diǎn)。我們只是通過向我們的芯片照射不同顏色的光線，就可以模仿大腦的神經(jīng)處理方式。這項(xiàng)技術(shù)讓我們?cè)诔焖?、高效、安全光基?jì)算邁進(jìn)的道路上走得更遠(yuǎn)。它也帶著我們朝著實(shí)現(xiàn)仿生大腦的目標(biāo)邁出了重要一步，仿生大腦是一種能像人類一樣從周圍環(huán)境中學(xué)習(xí)的‘芯片上的大腦’。
（圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)）
論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Taimur Ahmed 博士表示，在人造芯片上模仿神經(jīng)行為的能力，為跨學(xué)科的研究提供了令人振奮的途徑。Ahmed 表示：“這項(xiàng)技術(shù)為研究人員創(chuàng)造出巨大的機(jī)遇，使他們可以更好地理解大腦，以及大腦是如何被阿爾茨海默病和癡呆癥等破壞神經(jīng)連接的疾病所影響的。”
左起: Sumeet Walia博士與Taimur Ahmed博士（圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)）
RMIT功能材料與微系統(tǒng)研究小組的研究人員也演示了這個(gè)芯片可進(jìn)行邏輯運(yùn)算（信息處理），從而又增添了一項(xiàng)新的類腦功能。
這項(xiàng)技術(shù)與現(xiàn)有的電子器件兼容，也在柔性平臺(tái)上得到了驗(yàn)證，可以集成到可穿戴電子器件中。
關(guān)鍵字
類腦計(jì)算、光遺傳學(xué)、芯片、黑磷
參考資料
【1】http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201901991
【2】https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2019/jul/electronic-chip-mimics-brain
