模仿人类视网膜的革命性生物芯片：迈向半机械人现实的飞跃

由来自尤利希的弗朗西斯卡-桑托罗（Francesca Santoro）领导的一个国际研究小组开发出了一种仿人类视网膜的生物芯片。这项创新是生物电子学领域更广泛努力的一部分，旨在修复身体和大脑功能障碍。该芯片的诞生是一项合作成果，来自尤利希研究中心、亚琛工业大学、意大利技术研究所和那不勒斯大学的专家参与了这项工作。他们的工作和研究成果已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

人与机器的融合是科幻小说的缩影。在现实生活中，人们早已迈出了实现这种半机械人的第一步：心脏起搏器可以治疗心律失常，人工耳蜗可以改善听力，视网膜植入体至少可以帮助几乎失明的人看到一点东西。未来，一种新型芯片可以帮助视网膜植入体更好地与人体融合。它以导电聚合物和光敏分子为基础，可用于模仿视网膜和视觉通路。它由尤利希生物电子学研究所（IBI-3）的弗朗西斯卡-桑托罗研究小组与亚琛工业大学、热那亚意大利技术研究所和那不勒斯大学合作开发。

"我们的有机半导体能够识别落在其上的光照强度。类似的情况也发生在我们的眼睛里。"亚琛工业大学神经电子界面教授、意大利技术研究所客座研究员桑托罗解释说："照射到各个光感受器上的光量最终会在大脑中形成图像。"

这种新型半导体的独特之处在于，它完全由无毒的有机成分组成，具有柔韧性，可与离子（即带电原子或分子）一起工作。因此，与传统的硅半导体元件相比，它能更好地集成到生物系统中，因为传统的硅半导体元件是刚性的，只能与电子一起工作。研究人员解释说："我们的体细胞专门使用离子来控制某些过程和交换信息。不过，到目前为止，这项研发还只是"概念验证"。这种材料是合成的，然后进行了表征，但我们能够证明，视网膜的典型特性可以用它来模仿。"

Francesca Santoro 教授。图片来源：意大利技术研究所

研究人员已经在考虑另一种可能的应用：由于光照射会在短期和长期内改变所用聚合物的导电性，这种芯片还能起到人工突触的作用。真正的突触以类似的方式工作：通过传递电信号，它们会改变自身的大小和效率，例如，这正是我们大脑学习和记忆能力的基础。桑托罗展望说："在未来的实验中，我们希望将这些元件与生物细胞结合起来，并将许多单个的生物细胞连接在一起。"

除了人造视网膜，桑托罗的团队还在开发生物电子芯片的其他方法，这些芯片能够以类似的方式与人体，特别是神经系统细胞进行互动。"一方面，我们试图复制神经细胞的三维结构，另一方面，我们也试图复制它们的功能，例如处理和存储信息。事实证明，他们在人造视网膜中使用的生物聚合物是一种合适的起始材料。我们可以用它们来复制人类神经细胞的分支结构，以及它们的许多树突。你可以想象它有点像一棵树，"这位科学家解释说。这一点非常重要，因为与光滑的表面相比，真正的细胞更喜欢这种枝状的三维结构，从而与人造细胞建立密切联系。

首先，不同的生物芯片可用于研究真正的神经元，例如细胞的信息交流。其次，桑托罗和她的团队希望有一天能够利用他们的元件主动干预细胞的交流途径，从而引发某些效应。例如，桑托罗在这里想到的是纠正帕金森病或阿尔茨海默病等神经退行性疾病中出现的信息处理和传输错误，或支持不再正常运作的器官，此外，这种元件还可以作为假肢或关节之间的接口。

计算机技术也能从中受益。由于其特性，这种芯片注定会成为人工神经网络的硬件。迄今为止，人工智能程序仍在使用无法调整自身结构的经典处理器。它们只是通过复杂的软件来模仿改变神经网络的自学习运行原理。这是非常低效的。人工神经元可以弥补这一缺陷：它们将使计算机技术能够在各个层面上模仿大脑的工作方式。

编译来源：ScitechDaily