生物電子醫(yī)學(xué)有望為癌癥、心血管和神經(jīng)退行性疾病等多種疾病的診斷和治療帶來新的見解，現(xiàn)在備受關(guān)注。生物電子醫(yī)學(xué)匯集了生物化學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)、機電工程、計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)等各個領(lǐng)域，重點研究神經(jīng)系統(tǒng)中的電信號。
該領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)在使用此類信息來創(chuàng)建深入研究復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。然而，由于復(fù)雜的生物學(xué)和難以預(yù)測的神經(jīng)元反應(yīng)的挑戰(zhàn)，開發(fā)人工神經(jīng)元一直很困難。一個由歐盟資助的 CResPace 項目支持的科學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)解決了這一挑戰(zhàn)。
該團(tuán)隊在硅芯片上設(shè)計了人工神經(jīng)元，可以精確模擬對一系列刺激做出反應(yīng)的真實活神經(jīng)細(xì)胞。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》雜志上。“我們的方法結(jié)合了多項突破，為從編程模擬計算機到軟生物植入物的神經(jīng)形態(tài)工程開辟了新視野。”
醫(yī)療植入物的理想選擇
CResPace 項目協(xié)調(diào)員巴斯大學(xué)發(fā)布的新聞稿總結(jié)了該研究的結(jié)果。“至關(guān)重要的是，人工神經(jīng)元不僅表現(xiàn)得像生物神經(jīng)元，而且只需要微處理器十億分之一的功率，這使得它們非常適合用于醫(yī)療植入物和其他生物電子設(shè)備。”
新聞稿指出：“人工神經(jīng)元可以通過復(fù)制其健康功能并對生物反饋做出充分反應(yīng)以恢復(fù)身體功能來修復(fù)患病的生物回路。例如，在心力衰竭中，大腦底部的神經(jīng)元無法對神經(jīng)系統(tǒng)反饋做出適當(dāng)反應(yīng)，他們反過來不會向心臟發(fā)送正確的信號，然后心臟就不會像它應(yīng)該的那樣努力。”
它進(jìn)一步強調(diào)了創(chuàng)造人工神經(jīng)元所涉及的挑戰(zhàn)，并解釋了科學(xué)家們是如何克服這些挑戰(zhàn)的。“研究人員成功地建模并推導(dǎo)出方程來解釋神經(jīng)元如何對來自其他神經(jīng)的電刺激作出反應(yīng)。這非常復(fù)雜，因為反應(yīng)是‘非線性的’——換句話說，如果一個信號變得兩倍強，它不一定會引起兩倍大一個反應(yīng)——它可能會大三倍或其他什么東西。”
在同一份新聞稿中，來自巴斯大學(xué)的主要作者 Alain Nogaret 教授說：“我們的工作正在改變范式，因為它提供了一種可靠的方法來詳細(xì)再現(xiàn)真實神經(jīng)元的電特性。”他補充說，該團(tuán)隊正在“開發(fā)智能起搏器，它不僅會刺激心臟以穩(wěn)定的速度泵血，還會使用這些神經(jīng)元實時響應(yīng)心臟的需求——這是健康心臟自然發(fā)生的事情。其他可能的應(yīng)用可能是更普遍地治療阿爾茨海默氏癥和神經(jīng)元退行性疾病等疾病。”
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