韩国脑科学研究所和大邱庆北科技大学的研究团队最近发布了一项创新成果,他们设计并制造了3D电磁驱动的微米级微型机器人,并将其表面附着了小鼠胚胎的颅脑神经细胞。这种机器人能够在显微镜下精准移动和控制神经细胞,从而建立人工神经网络平台,实现了人类利用体外方式操控脑神经网络的梦想。
该研究结果已于近日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。通讯作者崔宏秀教授指出,在脑科学研究领域,构建具有高可重复性的复杂神经网络是人工智能和脑工程等众多基础研究的关键问题。
崔宏秀教授解释道:“我们通过定制的微型机器人平台,实现了神经细胞的精确运输。这种方法不仅降低了细胞损伤,还允许我们在构建的神经网络模型中测量神经细胞发出的生理信号,验证神经网络连接的有效性。”
近期,埃隆·马斯克创立的Neuralink公司发布了脑机接口技术的最新进展,展示了通过手术机器人将小型脑机接口设备植入实验猪大脑的技术。然而,Neuralink的研究主要集中在脑机接口领域,与崔宏秀团队的研究方向有所不同。
崔宏秀团队的研究主要聚焦于类脑智能领域,尤其是在人工神经网络方面取得了新突破。崔宏秀教授表示,他们的研究方向和Neuralink并不相同,无法直接对比。
研究过程中,科研团队发现市场上缺乏关于电磁驱动微型机器人与人脑神经连接的相关研究,这促使他们开展新的探索。首先,他们使用激光微加工技术制造了由外部磁场驱动和控制的微米级机器人。这些机器人尺寸仅为27微米高、5微米宽、2微米厚,顶部设有纵向微槽,并内置了高密度微电极阵列(HD-MEA)芯片,用于信号传输。此外,机器人还配备了翻转指示器,以确保正确的排列顺序。
接着,研究人员从小鼠胚胎中提取神经细胞,将其附着在机器人矩阵表面,并观察神经突及其细胞体的生长情况。随后,他们将神经突引导至机器人倾斜的末端,使神经细胞固定在玻璃基板上,形成神经簇阵列。经过长时间培养,细胞最终生长到约40微米。
最后,研究人员在显微镜下刺激并操作神经簇阵列,发现在体外环境下,神经细胞能在10秒内达到指定位置,并在1分钟内完成与机器人的通信连接,控制精度达到了数十微米级别。
通过这些步骤,科研人员成功将颅脑神经细胞运送到指定位置,展示了颅脑神经网络的可行性。这一研究证明了脑神经网络可以在体外与机器人实现连接,人类可以通过微型机器人实现精准的体外脑神经控制,释放未知的操作潜能。
崔宏秀教授认为,这项研究的核心在于开发基于基础脑科学领域的人工神经网络平台。尽管现有的MEA芯片功能有限,只能在二维环境中测量信号,但他们计划在未来的研究中进一步探索三维神经网络结构及其信号传输特性。
崔宏秀教授表示,他们将继续深入研究人工神经网络平台,希望为高级人工神经网络提供一种可控的体外模型,特别是对于帕金森病和强迫症患者,该技术有望加快治疗干预措施的实施,减轻患者的痛苦。
崔宏秀教授强调,构建体外神经网络是基础研究的重要组成部分,能够促进人工智能和脑工程等领域的发展,为实现“模拟大脑”的目标奠定基础。