模仿大脑，在硅中：新的电脑芯片模型神经元如何沟通

几十年来，科学家们一直梦想着建立能够复制人脑学习新任务才能的计算机系统。

麻省理工学院研究人员现在通过设计计算机迈向该目标的重大步骤芯片这种模仿大脑的神经元如何适应新信息。这种现象称为可塑性，被认为是许多大脑功能，包括学习和记忆。

这种硅芯片有大约400个晶体管，可以模拟单个大脑突触的活动。突触是两个神经元之间的连接，使信息从一个神经元传递到另一个神经元。哈佛-麻省理工学院健康科学与技术部门的首席研究科学家Chi-Sang Poon说，研究人员预计这种芯片将帮助神经科学家更多地了解大脑是如何工作的，也可以用于神经假体设备，如人造视网膜。

Poon是一篇描述芯片的论文的资深作者美国国家科学院院刊11月14日那一周。盖伊·拉克穆斯(Guy Rachmuth)曾是潘实验室的博士后，他是这篇论文的第一作者。其他作者是麻省理工学院皮考尔神经科学教授马克·贝尔和德克萨斯大学医学院的哈雷尔·舒瓦尔。

建模突触

大脑中大约有1000亿个神经元，每个神经元都与许多其他神经元形成突触。突触是两个神经元之间的间隙(称为突触前和突触后神经元)。突触前神经元释放谷氨酸和伽马氨基丁酸等神经递质，它们与突触后细胞膜上的受体结合，激活离子渠道。打开和关闭这些通道会改变细胞的电势。如果电势变化足够剧烈，细胞就会发出称为动作电势的电脉冲。

所有这些突触活性取决于离子通道，其控制带电原子如钠，钾和钙的流动。这些频道也是一种称为长期增强（LTP）和长期凹陷（LTD）的两种方法的关键，它们分别加强和削弱突触。

麻省理工学院的研究人员设计了他们的计算机芯片，这样晶体管就可以模拟不同离子通道的活动。虽然大多数芯片以二进制、开/关模式运行，但电流通过新大脑芯片上的晶体管是模拟的，而不是数字的。电势梯度驱动电流流过晶体管，就像离子流过电池中的离子通道一样。

“我们可以调整电路的参数来匹配特定的离子通道，”Poon说。“我们现在有了一种方法来捕获神经元中发生的每一个离子过程。”

此前，研究人员已经建立了可以模拟动作电位触发的电路，但并不是所有产生动作电位的环境都能模拟。“如果你真的想真实地模拟大脑功能，你需要做的不仅仅是峰值。你必须捕捉基于离子通道的细胞内过程，”Poon说。

新芯片代表了加利福尼亚大学神经生物学教授Dean Buonicano表示，该芯片纳入了关于神经元和突触塑性的所知，并纳入了关于神经元和突触塑性的突触塑性的知识，“在洛杉矶，补充说“生物现实主义水平令人印象深刻。

麻省理工学院研究人员计划使用它们的芯片来构建系统以模拟特定的神经功能，例如视觉处理系统。这些系统可能比数字电脑快得多。即使高容量计算机系统模拟简单的大脑电路需要几个小时或几天的时间。通过模拟芯片系统，模拟比生物系统本身快。

另一个潜在的应用是制造可以与生物系统连接的芯片。这可能有助于神经修复装置(如人造视网膜和大脑)之间的通信。Poon说，在未来，这些芯片也可能成为人工智能设备的组成部分。

辩论得到了解决

麻省理工学院的研究人员已经用他们的芯片为长期争论的有限责任公司的产生提出了一个解决方案。

一种理论认为，LTD和LTP依赖于在突触后细胞中被刺激的动作电位的频率，而最近的一种理论认为，它们依赖于动作电位到达突触的时间。

两者都需要被称为NMDA受体的离子通道的参与，NMDA受体可以检测突触后激活。最近，有理论认为，如果有第二种受体参与检测这种活动，这两种模型可以统一。第二种受体的候选受体是内源性大麻素受体。

内啡肽与大麻结构相似，在大脑中产生，参与食欲、痛觉和记忆等多种功能。一些神经科学家推测，突触后细胞产生的内源性大麻素被释放到突触，在那里它们激活突触前内源性大麻素受体。如果NMDA受体同时活跃，则发生LTD。

当研究人员包括在其芯片晶体管上，模拟内诺大麻素受体，他们能够准确地模拟有限公司和LTP。虽然以前的实验支持了这个理论，直到现在，“没有人把这一切都放在一起，并计算得以计算，这确实这是有效的，这就是它的工作原理，”潘顿说。

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这个故事被重新发布由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/)，一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

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