根据发表在《自然·纳米技术》上的一项研究，美国西北大学的一个团队开发出了可打印的人造神经元，能够激活活体组织中的真实神经活动。这一发现之所以重要，是因为实验室制造的硬件不仅是在模拟大脑信号，而且产生的响应与生物信号难以区分，足以让真实的神经元对其作出反应。在西北大学麦考密克工程学院Mark C. Hersam教授和研究副教授Vinod K. Sangwan的带领下，该研究使用了由纳米级二硫化钼薄片和石墨烯制成的电子墨水，通过一种名为"气溶胶喷射3D打印"的方法将其沉积在柔性聚合物基底上。
这项研究有别于以往人造神经元设计的关键，在于团队选择利用而非消除的一个制造特性。此前的研究人员将墨水中残留的聚合物视为污染物并将其烧掉。Hersam的团队只将其部分去除，这导致通过器件的电流形成了一条狭窄的导电细丝。这条细丝产生出了真实神经元所产生的那种突然的、多样化的电脉冲。
现有的大多数人造神经元只能产生简化的、均匀的脉冲，这迫使工程师通过构建更大、更耗电的系统来进行补偿。而这种设备能产生单脉冲、持续放电和爆发模式，覆盖了生物神经元实际使用的更多信号范围，并且由于每个人造神经元可以自行编码更多信息，处理相同计算负载所需的组件总数显著减少。
在活体组织中验证兼容性
为了测试生物兼容性，该团队与神经科学家Indira Raman合作，她的实验室将人造神经元的信号施加于小鼠小脑切片。人造脉冲在时序和形状上与自然神经元信号高度匹配，足以可靠地激活组织中的神经回路。时序至关重要，因为这是早期尝试一直失败的原因。基于有机材料的人造神经元放电太慢，而金属氧化物版本又太快。该设备运行在活体神经元实际使用的时间窗口内。这项研究的更广阔背景是计算领域日益严峻的能耗问题。训练大型AI模型如今需要消耗千兆瓦电力的数据中心，一些设施甚至计划配备专用核电站。而大脑的能效比传统数字计算机高出五个数量级。
神经形态硬件——从结构和功能上借鉴生物神经架构——长期以来被认为是缩小这一差距的一条途径。然而，大多数此类研究停留在隐喻层面而非实际机制。让人造信号实际触发生物组织中的响应，是一个比该领域先前大多数研究支持的结论更严格、也更具体的成果。
由于制造过程是增材式的，只在需要的地方沉积材料，因此与传统半导体制造相比，既减少了浪费也降低了成本。该团队表示，这使得该方法在神经假体和脑机接口等医疗应用中更具可行性——在这些领域，设备的柔性和生物耐受性不是可选特性，而是必要条件。为了更接近生物模型，Mark Hersam的团队使用柔软、可打印的材料开发了人造神经元，这些材料能更好地模仿大脑的结构和行为。这一进展的核心是一系列电子墨水。（图片来源：Mark Hersam | 西北大学）
同一种打印方法引起了不同研究机构的独立兴趣，这指向了本研究之外的意义。卡内基梅隆大学的研究人员使用气溶胶喷射3D打印制造了用于脑机接口的高密度微电极阵列，该项目获得了美国国立卫生研究院"BRAIN计划"195万美元的资助。该工作侧重于以更高精度和更少组织损伤记录神经信号。
西北大学的设备则反向工作——产生生物组织能够响应的信号。不同独立资助项目都依赖气溶胶喷射3D打印，这表明该方法已从孤立的实验室实验扩展到可复现的神经接口制造标准。
来源：中国3D打印网
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