科学家们创造了合成脑细胞的关键部分，可以在几毫秒内保持细胞“记忆”。这一成就有朝一日可能会导致计算机像人脑一样工作。
这些用于模拟人工脑细胞的部件使用称为离子的带电粒子产生电信号，就像信息在大脑中的神经元之间传递一样。
当前的计算机可以做令人难以置信的事情，但这种处理能力需要很高的能源成本。相比之下，人类大脑的效率非常高，大约使用两个香蕉所含的能量来完成一整天的工作。虽然这种效率的原因并不完全清楚，但科学家们推断，如果他们能让计算机更像人脑，它需要的能量就会少得多。科学家试图复制大脑生物机制的一种方法是利用离子的力量，而离子是大脑赖以产生电力的带电粒子。
在8 月 6日发表在《科学》杂志上的这项新研究中，法国巴黎国家科学研究中心的研究人员创建了一个人工神经元的计算机模型，该模型可以产生与神经元用于在大脑中传输信息的相同类型的电信号。大脑; 通过将离子发送到细小的水通道来模拟真实的离子通道，研究人员可以产生这些电尖峰。现在，他们甚至创建了一个包含这些通道的物理模型，作为未发表的、正在进行的研究的一部分。
“据我所知，这是人们第一次用离子来完成这项工作，”该研究的合著者、巴黎高等师范学院的物理学家 Lydéric Bocquet 说。
在更精细的层面上，研究人员创建了一个系统来模拟产生动作电位的过程——由作为大脑活动基础的神经元产生的电活动尖峰。为了产生动作电位，神经元开始让更多的正离子进入，这些正离子被细胞内的负离子所吸引。电势或细胞膜上的电压导致细胞上称为电压门控离子通道的门打开，在细胞达到峰值之前进一步增加电荷，并在几毫秒后恢复正常。然后将信号传输到其他细胞，使信息能够在大脑中传播。
为了模拟电压门控离子通道，研究人员模拟了石墨烯片之间的薄水层，石墨烯片是非常薄的碳片。模拟中的水层深度为一、二或三个分子，研究人员将其描述为准二维狭缝。Bocquet 说，研究人员想要使用这种二维环境，因为粒子在二维中的反应往往比在三维中强烈得多，而且它们在二维中表现出不同的特性，研究人员认为这可能对他们的实验有用。
“在物理学中，二维非常奇怪，”博凯说。“所以你期待新的事情发生。”
研究人员在计算机模拟中测试模型，发现当他们向通道施加电场时，水中的离子形成蠕虫状结构。当团队在模拟中施加更大的电场时，这些结构会慢慢分解，留下“记忆”，或细长配置的暗示。
当研究人员运行模拟连接两个通道和其他组件以模拟神经元的行为时，他们发现该模型可以在电活动中产生尖峰，如动作电位，并且它“记住”了两种不同状态下的一致属性——一种是离子传导更多的电力，而他们传导的电力更少。在这个模拟中，离子先前状态的“记忆”持续了几毫秒，大约与真实神经元产生动作电位并返回静止状态所需的时间相同。这对于离子来说是相当长的时间，离子通常在纳秒或更短的时间尺度上运行。在真正的神经元中，动作电位相当于神经元中的细胞记忆；我们的大脑利用离子通道的打开和关闭来创造这种记忆。
“我们最终拥有相似的记忆，但产生这种现象的原因却大不相同，”博凯说。
制造“记忆”
新模型是一种称为忆阻器或记忆电阻器的电子元件的一个版本，它具有保留历史信息的独特属性。但是现有的忆阻器不像大脑那样使用液体。
“我使用的典型忆阻器以及文献中的其他人使用的都是固态忆阻器，”乔治华盛顿大学电气和计算机工程助理教授 Gina Adam 说，他没有参与这项研究。亚当补充说，这项关于创造流体忆阻器的新研究“非常有前途，也非常有趣”。
她还表示，虽然实用的类脑计算机可能还有很长的路要走，但这项研究也可以帮助科学家更好地了解大脑如何处理信息并开发类脑计算的新理论。
自从用计算机模拟进行这项研究后，Bocquet 说他和英国曼彻斯特大学的合作者将他们的理论付诸实践，用它来创造一个人工突触，这是神经元传递电信号的一部分，他们已经开始用它进行实验。
“这很令人兴奋，因为它现在是一个游乐场，”博凯说。“我们可以积极探索这些东西。”
