神经细胞连接微处理器——突破硅计算的极限

落花吹雪

[这个贴子最后由落花吹雪在 2003/05/18 06:26pm 第 2 次编辑]

                           神经细胞连接微处理器——突破硅计算的极限

　　能操控计算机的脑细胞或能植入人体内的芯片是科幻作家写作的好素材，然而，如今的科学家们正在努力将细胞与芯片相连的幻想变成现实。一旦连接成功，计算机会和人的大脑一样进行思考。　
　　
　　实验室里的老鼠，看见穿白色工作服的研究人员会作何感想？我们不得而知。然而，如果将鼠脑装入了计算机中，这台植入了灰色的智能小生命细胞的计算机应当比我们今天所认识的硅式计算机强许多倍。尽管有强大的计算能力，和生命思维相比，硅式计算机在许多方面还是落后的。例如，计算机不能驾驶小汽车，至少是今天的技术水平还无法实现。人能够根据所处环境行事，能够进行联想。而计算机没有这个能力，这一点计算机开发者很清楚。简言之，计算机还不能像人那样进行思考。

　　不过，科学家的幻想令人兴奋。他们想把目前只有科幻作家才敢想的事变成现实。物理学家打算把计算机和动物的大脑连接起来。例如从老鼠脑中提取灰色脑细胞，以完成某项特定的任务，思维的结果则通过计算机反映出来。这项计划的诱人之处在于：人们不必对脑细胞的工作原理有准确的了解，就可以拥有大脑的功能。如同一个黑匣子，通过输入端和输出端的元件一起进行工作。当然，实现这一目标的前提条件是，细胞和芯片必须能相互交换电信号，电子系统和生物系统必须能够顺畅地进行交流。

　　另一项大胆的研究计划是将芯片直接植入人脑来操控人工假眼、假牙、假腿等等。科学家要通过植入视网膜，帮助盲人重新获得光明。其操作方法是，通过芯片接收光信号，再通过视神经传给大脑。不过，要使病人不仅能感受到光，而且还能真实地看到周围的景色，就需要做大量的基础研究。更为大胆而冒险的行为是，通过大脑神经控制人工假肢，同复杂的三维系统进行接触，当然即使有可能的话，也要在遥远的将来才能实现了。

　　“这还仅仅是个幻想”，彼德·弗朗姆荷茨(Peter　Fromherz)教授礼貌地回答。他把思路从幻想中调整到日常研究中。这位慕尼黑附近马克斯·普朗克研究所(MPI)膜和神经物理系主任是生物细胞和电子元件结合领域的先锋。他从事蚂蟥、蜗牛和老鼠的神经细胞和电子元件的连接工作已有17年。他最早在乌尔姆大学从事研究，1994年起在马普研究所继续这一课题。

　　细胞在芯片上成长

　　彼德·弗朗姆荷茨很清楚这里的研究工作有多么单调，他也十分清楚即使只取得很小的一点进步，也需要大量的资金投入。他已习惯于克制自己过于乐观的期望：“试验应当踏踏实实地做，而不能一蹴而就。”

　　不久前，他和30多位同事一道取得了一些引起轰动的突破性成果。他们把神经信号通过硅芯片用电信号进行了从细胞到细胞的传送，　并把细胞和芯片相联。这些成绩都是实实在在的。而在以前他对这些成绩简直不敢想像。成功带给他勇气和动力。“我不是个没有幻想的怀疑论者。相反，我对智能计算机和假肢新技术很感兴趣。”1991年，弗朗姆荷茨首次将蚂蟥的神经细胞移植到一颗芯片上，细胞中发出的信号被晶体管接收到。1995年，该基础试验在反方向也取得了成功。通过芯片刺激含电脉冲的细胞，通过信号测定并断定其行为潜能。

　　由于蚂蟥和行为有关的大脑神经细胞很容易被事先识别出，因此蚂蟥成了首选的试验动物。由于电子元件方面的结构相对粗糙，物理学家很容易制成硅式底座。这里既不需要复杂的程序，也不需要纳米技术。

　　后来，蜗牛也成了马普研究所生物物理学家的“宠物”。因为蜗牛的神经细胞能比蚂蟥表现出更好的信号特征。弗朗姆荷茨指出，提取蜗牛的神经细胞需要更多的技巧，单从蚂蟥转为蜗牛就使科学家们花了两年的研究时间。实验室旁边的几个水箱都养了实验动物。为了得到神经细胞，研究人员从壳中取出动物的大脑，将其麻醉，从中取出脑细胞。在营养液中脑细胞继续生长，这时就可进行实验。

　　
　　神经体：盘中是四只蜗牛的大脑，神经细胞从中提取。
　　
　　研究对象：生物物理学家养殖蜗牛，为实验提供神经细胞。

　　“和其他研究领域相比，我们这里显得非常冷清。”弗朗姆荷茨介绍了实验小组的特殊性。由于所有的事必须由他和同事们亲自动手，所以实验的难度增加了，进度受到了影响。膜和神经物理系是个跨学科的系，除了物理学家，还有生物学家和化学家。马普研究所为科学家们创造了在不平常的领域进行长期研究的条件，即使是这种研究前景并不明朗的领域。“而在美国进行这类研究是不可能的”，弗朗姆荷茨说。

　　事实上，长期以来，几乎没有人会对辛苦地摆弄这些小动物、神经细胞和半导体技术感兴趣。

　　因为，这么一点可怜的研究成果显然不会有什么用处。“公众的兴趣也许取决于时代精神。”

　　弗朗姆荷茨补充道。“我们的研究工作开始得太早了，整整早了10年。”

　　当马普研究所的研究小组发现用芯片和细胞能做些什么时，情况就出现了转变。在进行神经元-硅片的成功连接后，又成功地使硅芯片与生长的细胞相联。

　　
　　神经元网络：构成突触联会的神经细胞附在硅芯片圆形的表面上。

　　使两个神经细胞在一个芯片上共同成长是氢化物系统进行信号传送的一个基本的试验。其中一个细胞通过电极刺激，发出动作潜能，传给第二个细胞，再被芯片截获。神经元网络通过细胞和芯片相连。这时，电子工程师忽然站到了生物技术员的位置。弗朗姆荷茨明白其中的缘由。“如果计算的基本单位能小到10纳米，那么十年后计算机的发展就会穷途末路。”而预计生物计算机能够继续发展下去。

　　发展神经元系统的下一步是智能神经键(神经元的神经线连接)。如果两个相连的细胞通过两条连接线进行交流，其功能就会增强，这和神经网的学习过程具有同样的意义。马普研究所的生物物理学家继续在两个方面进行研究：一方面要优化细胞和芯片的连接；另一方面开发综合体系。

　　
　　生物学和电子学：用移液管将营养液中培植的脑细胞放到芯片上。脑细胞继续生长并交换电子信号。　

　　
　　围篱：极细微的塑料支架将蜗牛的神经细胞固定在硅芯片上，神经细胞继续成长。

　　虽然在神经细胞和半导体中的信息都是通过电信号进行传送的，但其他方面并没有更多的共同点。在硅片中通过电子进行信息传递，而在细胞中则通过离子导体传递。原则上，两个系统相互并不兼容。直接接触时电子会损伤细胞，而离子会使芯片腐蚀。所以要用一层薄膜防止细胞直接接触芯片上的氧化硅。信息不通过载流子的直接交换进行传递，而是通过两种介质间的电场进行。
　　另外，电子元件通常会使智能芯片的寿命过早结束。神经细胞可以存活很长的时间。不过，细胞的成长又常常会干扰芯片，就像树根遇到渗入地下的沥青。谁能准确地判别它的极限范围，谁就能改进接口。因此，改进测量芯片和细胞间距离的方法，尽量准确地确定电阻，是技术的关键。“如果我们对副作用越了解，那么对细胞和晶体管之间的信号就传送得越好。”马普研究所的物理学家莱蒙·格来斯纳(Raimund　Gleixner)认为。

　　

　　走近实验：生物技术和电子技术的完美连接是继续取得成果的前提条件。物理学家莱蒙·格来斯纳(Raimund　Gleixner)在测量距离。

　　其他方向的研究也令人激动。通过综合的细胞网状芯片的触点，老鼠的大脑切片反映了相关试验的核心内容。弗朗姆荷茨认为：“在哺乳动物的大脑中，单细胞的作用不像蜗牛中的那么大。”因此，人们通常测量到的，不是由单细胞发出的动作势能，而是由众多细胞发出的动作势能。

　　现在，研究人员不再在晶体上放置单个细胞，而是将大量的试样和含多重晶体栅的微处理机相连。一旦什么地方连上了，能马上测出信号。弗朗姆荷茨介绍了最初的成果：“一开始的情况出人意料的好。我们要早些这么做就好了。”膜和神经物理系拥有自己的净化室，这里能生产目前使用的大部分芯片。这位神经物理学家和西门子已有数年的合作，Infineon现在能生产出带15000个接点的芯片，以此来刺激脑细胞，截获答复信号。通过测微计进行大型网状的信号交换工作也正在进行中。需要解决的问题是，对所出现的大量的数据如何进行处理。目前的计算机好像忙不过来。　

　　更正：第四期《“虚拟中国人”向我们走来！》一文第276页左上方的图注出现了错误。正确的图注应为：“第三军医大学中国数字化可视人体研究课题组的工作照，其中蓝色部分为冰冻后的标本。”特此更正，并向中国可视化人体研究课题组和广大读者表示歉意。

　　固执己见：教授坚持要做首个“控制生物体”

　　当有人正在耐着性子以蜗牛的速度进行昂贵的基础研究时，有人则已急不可待，希望人-机最终完美的结合能够早日到来。英国里丁(Reading)大学的凯文·瓦维克(Kevin　Warwick)教授是怪癖英国人的典型例子。由于他坚持要成为“控制生物体”的第一人，今年已经两次让人在其体内植入芯片。“控制生物体”是一种部分是机器、部分是人的“人造生命体”。在牛津一家医院进行的两个多小时的手术中，瓦维克将一块芯片植入自己的手关节。芯片有100个触点，用细线分别穿过下臂。细线从肘部下端穿出皮肤，和一发射器相连。通过发射器可与计算机进行交流。第一次试验时，只从下臂向计算机发出了神经信号。这次，神经系统和计算机之间应当能进行交互式交流。也就是说，他的手中也能够接收到来自计算机而不是来自瓦维克的大脑的信号。作为科学家，这位英国人是孤立的：在他同事的眼中，他简直是个胡思乱想的人。

　　专访生物物理学家彼德·弗朗姆荷茨(Peter　Fromherz)先生

　　弗朗姆荷茨先生，我们有一天能将芯片植入大脑吗？

　　弗朗姆荷茨：这纯粹是科学幻想。我认为，人类肯定不会这样发展。我根本不想进行这种推测。即便是取得一点小小的进步，也需进行长远的基础研究。许多科学家目前被迫使用流行的词句，承诺即将取得成果，为的是取得研究经费。有些认为有前景的东西，其实是肥皂泡。

　　您的工作所遵循的目标是什么？

　　弗朗姆荷茨：首先，我们要研究神经生物新的测量方法。只使用1个、2个或10个电极就要弄清楚拥有百亿个神经细胞的大脑是如何工作的，这是根本不可能的事。但芯片可进行数百万次连接，使我们接近目标。在生物传感领域取得了一些进展，结合细胞遗传学可以进行药理演示，在试管中进行新药品的试验。

　　将来还会有哪些变化？

　　弗朗姆荷茨：我们虽然不会去做大脑是如何工作的这类实验，但神经细胞的网状特性还是可以应用于计算领域。这就是智能计算机。人们在今后5～10年内就可以看到初步的成果。当然，那还不是带智能的微机，而只是试管中的试验。神经细胞和假肢的结合，还过于乐观，那比专家们所想像的要困难得多。还有太多要做的基础工作。长远来看，我也是乐观的，相信会成功，但至少要20年以后。

　　您个人在工作上还希望取得哪一些成就？

　　弗朗姆荷茨：这方面的研究我们开始得太早，早了近10年。最初我们对这项研究的兴趣也不够。现在我已经有些落伍了。不过，我可以完全肯定，我还会从事视网膜移植的研究。看看，如果我把这么一个视网膜放到芯片上，究竟会发生些什么。

　　您认为，将来哪个领域的发展机会最大？

　　弗朗姆荷茨：长远来看，生物智能计算机是非常有意义的。一旦神经细胞和微处理器连接成功，计算机就会和人的大脑一样进行思考了。　

　　注：此文由吹雪转自《CHIP新电脑》

落花吹雪

研究对象：生物物理学家养殖蜗牛，为实验提供神经细胞。

冰凌花开

晕死，这么长。我过两周回来仔细看^_^