3D直写神经,黑科技植入未来

引言

仿生神经界面（biomimetic neuron interface）,或者传统意义上称为"神经界面（neuron interface）"是神经组织工程学领域的一个重要分支,其主要目标是利用人造的具有高度生物兼容性的结构或材料,在体外培养不同复杂程度的生物神经元组织,用以研究、修复神经组织功能,对生物医学的神经药物研究具有重要的价值,比如治疗神经损伤性疾病（阿尔兹海默疾病Alzheimer disease等等）.同时,仿生神经界面也为研究者一个研究生物神经回路功能的平台,对于人工智能技术,特别是人工神经网络（Artificial neural networks）技术的发展,有着不可替代的研究价值.

近年来,美国**部下属高级研究计划局（DARPA）在脑-机接口研究领域的一系列资助行动引发了科学界的极大关注,而与埃隆·马斯克创办的"神经链接"（Neuralink）公司则志在迅速研制出可穿戴的相关设备雏形.利用基因编辑、纳米技术和红外光束等技术以及工具,有望研制出更高效的、非侵入的可行的脑—机界面.而仿生神经界面,无疑将为这些技术创造重要的底层生态.

仿生神经界面发展背景

在过去的20年间,神经学与人工智能的发展并驾齐驱,其进展不仅促进了科学界对人脑的认知水平的提高,也能促使开发出更智能的人工神经网络系统.这种生物学与科学技术的共同发展将会不可避免的走向生物与人工系统的融合.然而,现有的工程技术水平并不能满足生物与人工系统的无缝融合.

为了实现这一目标,全球各国和地区都开展了大规模的脑科学计划,其中包含美国的大脑启动计划,欧盟的人类脑计划,中国脑计划,日本的脑/心智计划,以及澳大利亚的脑科学联盟.这些计划无疑带动了一系列二维和三维的仿生神经界面技术的发展.通过利用这些仿生界面,生物神经组织与人工细胞外矩阵能够成功融合,实现一系列对神经组织功能的重塑、研究以及修复.同时,这种融合也促进了人工神经网络技术的发展.

仿生神经界面技术示意图（图源自网络）

然而,现有的仿生神经界面并不能完全实现与生物神经网络的融合.生物神经网络是一个三维、复杂的网络结构,其尺度跨越厘米到纳米量级.现有的2D仿生神经界面只能实现单层的神经结构,3D增材打印的大尺度仿生神经界面不能实现对生物神经组织在单个神经元级别的引导和控制,这些传统技术无法实现三维微米以及亚微米尺度的仿生神经界面.

三维激光直写技术与仿生神经界面的融合方案

三维激光直写技术是一种利用材料多光子吸收过程（Multi-photon absorption）,能够在微米或者亚微米尺度上实现任意二维、三维结构的加工的方法.这种方法已经被广泛应用于加工微纳光子器件、太阳能电池、光信息存储技术中.作为一种步骤简单、无掩膜并能实现纳米/微米尺度加工的先进的加工方法,三维激光直写技术正被广泛的应用于加工仿生神经界面领域.与传统的先进制造技术（二维电子束刻蚀、三维增材制造等）不同,针对三维激光直写技术所开发的光敏材料具有高度的多样性,为其在仿生神经界面领域的应用提供了巨大的材料库（低毒性、高度生物兼容性）.特别水凝胶材料、记忆形变材料等,使得三维激光直写技术已经成为生物神经组织学领域重点关注的技术.

三维激光直写技术在仿生神经元界面的应用

三维激光直写技术的优势,使其在仿生神经界面领域发挥了重要的作用.目前,有关三维激光直写技术加工仿生神经界面的研究虽然还处于起步阶段,但已经取得了令人瞩目的成果.通过利用仿生神经界面的微纳三维结构,科学家已经实现了对不同尺度的生物神经元组织的定向引导（生成具有定向链接的生物神经元组织）,定向移动（观测生物神经元组织在三维空间中的动态迁移过程）,探测生物神经元组织的力学特性,等等.然而,现有的利用三维激光直写技术加工仿生神经界面的研究仍然面临着无法有效加工大尺度仿生神经界面的困境.

人工神经网络技术带来的突破

利用一系列联通的计算单元（人工神经元）模拟生物神经网络的计算功能,人工神经网络技术已经被应用于数据处理和图片识别/分类等领域.三维激光直写技术与人工神经网络技术的结合,为实现更复杂、更高链接度的仿生神经界面提供了可能.特别是,人工神经网络技术可以显著提高三维激光直写系统的加工效率,降低三维激光直写过程中的材料损耗、结构力学损耗.同时,这一结合也为设计新型人工神经网络计算系统提供了一条全新的道路.

人工智能时代仿生神经元界面的3D激光直写

结语

仿生神经界面的近年来获得了突破性的发展,尤其在实现三维、大尺度、亚微米分辨率等方面具有重要意义.三维激光直写技术在仿生神经界面领域具有重要的应用前景,通过发展基于多材料三维激光直写技术、开发多样性的生物兼容性光敏材料（水凝胶）,三维激光直写技术与人工神经网络的融合对在微纳尺度下,实现对生物神经组织的特性研究具有巨大的价值.研究团队相信,三维激光直写技术与人工神经网络技术的结合,将对新一代三维、大尺度、亚微米的仿生神经界面产生巨大的推动力,有望带来如用于神经修复的可移植神经器件、生物神经计算界面以及全新的人工神经网络.