韓國腦科學研究所和大邱慶北科技大學（DGIST）科研團隊發(fā)布最新研究成果，他們設計并構(gòu)建了3D電磁驅(qū)動的微米級微型機器人，將小鼠胚胎的顱腦神經(jīng)細胞附著在其表面，通過體外連接方式，在顯微鏡下精準移動并控制神經(jīng)細胞，建立針對基礎腦科學領域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)人類通過體外形式利用機器人操控腦神經(jīng)網(wǎng)絡的夢想。

據(jù)悉，該研究成果被發(fā)表在頂級科學期刊《科學進展》（Science Advances）雜志上。

本論文通訊作者，韓國大邱慶北科技大學（DGIST）的Hongsoo Choi（音譯“崔宏秀”）教授告訴鈦媒體App，在腦科學研究領域，在體外實現(xiàn)具有高可再現(xiàn)性，形態(tài)和功能復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡是諸如人工智能和腦工程等各種基礎研究的重要研究課題。

“這項研究中，通過使用專門制造的微型機器人作為媒介，開發(fā)了一個將神經(jīng)細胞運輸?shù)街付ㄎ恢玫钠脚_。通過這種方式，可以構(gòu)建復雜而精確的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，同時將細胞損傷降至最低。另外，通過在以這種方式實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中測量由神經(jīng)細胞發(fā)出的生理信號來驗證神經(jīng)網(wǎng)絡連接的形成。”崔宏秀說。

就在不久前的8月29日，埃隆·馬斯克（Elon Musk）聯(lián)合創(chuàng)辦的Neuralink公司公布腦機接口（BCI）技術(shù)新進展：利用最新發(fā)布的手術(shù)機器人V2，類似“縫紉機”的效果，將約為一枚硬幣大小的腦機接口設備Link V0.9植入到實驗豬的大腦，實現(xiàn)電波反饋，引發(fā)廣泛爭議。

實際上，Neuralink公布技術(shù)進展，更多屬于腦機接口（Brain Machine Interface）領域，這只是腦科學技術(shù)的其中一個領域。

腦科學被叫做認知科學，也可稱之為神經(jīng)科學，這是一種探索大腦是如何工作的科學技術(shù)。腦科學研究大致可以分為以下三個領域：腦疾病防治研究、腦機接口研究和類腦智能研究。

而崔宏秀團隊發(fā)表的這篇論文，更多是在類腦智能研究中人工神經(jīng)網(wǎng)絡 （Artificial neural network）領域的新技術(shù)成果。

“與馬斯克的Neuralink是不同的研究領域，很難直接去比較。”崔宏秀對鈦媒體App表示。

根據(jù)論文所述，在實驗開始之前，科研團隊發(fā)現(xiàn)，市面上沒有對電磁驅(qū)動的微型機器人與（人腦）神經(jīng)是否可以連接進行相關試驗研究，且大家對這類型研究抱有很高的興趣，這讓團隊找到了新的研究方向，促成了該論文的發(fā)布。

崔宏秀教授對鈦媒體App表示，盡管有了研究方向，但這一實驗研究過程是復雜且具有挑戰(zhàn)的。

首先，科研團隊使用基于激光的超精密加工設備，制造出由外部磁場驅(qū)動和控制的微米級機器人。

據(jù)悉，這一微型機器人高27 μm，寬5 μm，深2 μm，頂部具有縱向微槽，且內(nèi)置可量突信號傳輸?shù)腍D-MEA（離體微電極陣列）芯片，側(cè)面還有翻轉(zhuǎn)指標器（A rollover indicator），以識別微型機器人“排列矩陣”的正確排列順序。

微型機器人的制造過程示意圖

第二步，科研人員培養(yǎng)從小鼠胚胎的大腦中提取的神經(jīng)細胞，使其附著在所制造的機器人矩陣的表面，觀察神經(jīng)突（也稱為軸突和樹突）和神經(jīng)元細胞體（體細胞）的長出情況，看大小是否易于控制。

第三步，科研人員將微型機器人上的這些神經(jīng)突引導至其逐漸傾斜的末端，從而將它們緩和到周圍的基底上，表征在類似玻璃基板。在玻璃表面上實現(xiàn)500x500 μm的神經(jīng)簇陣列。經(jīng)過長時間的實驗與培育，最終細胞成功長到大約40 μm左右。

第四步，通過電荷耦合裝置，科研人員在半球形八個電磁線圈中完成疊加磁場部署環(huán)境。

最后一步，通過層層挑戰(zhàn)，在顯微鏡下，科研人員刺激并操縱神經(jīng)簇（ANC）陣列。發(fā)現(xiàn)在體外環(huán)境下，神經(jīng)細胞可以最快10秒內(nèi)到達所需位置，并在1分鐘內(nèi)實現(xiàn)與機器的通信連接，且微型機器人的控制精度在幾十μm級別（誤差范圍約為10％）。

通過這五個步驟，科研人員將所需數(shù)量的顱腦神經(jīng)細胞遞送到指定位置，從而展示了顱腦神經(jīng)網(wǎng)絡的可能性。

這一研究顯示出，腦神經(jīng)網(wǎng)絡是可以在體外與機器人之間進行連接，人類可以通過微型機器人實現(xiàn)體外腦神經(jīng)的精準操控，將未知的操縱潛力被激發(fā)出來。

科研團隊在論文中表示，新技術(shù)以高度可重復的方式提供了自然而簡單的連接環(huán)境，利用小鼠胚胎的腦神經(jīng)細胞，結(jié)合腦科學+機器人，通過目標位置的培育和成長，最終精確實現(xiàn)神經(jīng)連接和調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸。

崔宏秀教授認為，這項研究的核心是開發(fā)基于基礎腦科學領域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡平臺，整個實驗過程更多是在檢驗這一平臺是否順利連接。

當被問及這一研究是否具有局限性時，崔宏秀教授對鈦媒體App表示，由于使用的MEA芯片性能不是十分先進，因此在測量信號傳輸?shù)臅r候，更多是在2D神經(jīng)網(wǎng)絡環(huán)境中，與更復雜的腦組織3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并不完全一致。未來，科研團隊將對3D神經(jīng)網(wǎng)絡的構(gòu)造、3D神經(jīng)網(wǎng)絡下測量的神經(jīng)傳輸信號進行相關實驗和研究。

崔宏秀教授表示，未來他們依然會對人工神經(jīng)網(wǎng)絡平臺進行深入研究。

“我們希望這項研究成果，為先進的人工神經(jīng)網(wǎng)絡提供可控的體外模型潛在平臺。特別是在帕金森氏病和強迫癥患者中，利用該技術(shù)可以更快做出治療性干預措施，從而幫助他們緩解傷痛。”科研團隊在論文中這樣表示。

崔宏秀教授強調(diào)，在體外構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡是一項重要的研究任務，可以用作各種基礎性研究（如人工智能和腦工程）的平臺。這是實現(xiàn)腦科學技術(shù)的終極目標——“模擬大腦”（具有像人一樣智慧的機器）前的重要步驟。

原文標題：科學家利用微米級機器人實現(xiàn)體外腦神經(jīng)操控，腦科學迎來新突破

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責任編輯：haq