突破性人工神經元　擬真反應媲美生物神經

人工神經元融合電子與生物技術，功能媲美真實神經元

科學家成功研發出一款人工神經元，其逼真程度足以模擬真實神經元的放電、學習及對化學信號的反應，這項突破有望徹底改變計算機技術、醫學以及科技與生物學的融合方式。

神經元是生物體內極其複雜且高效的訊息處理單元，透過電信號和化學信號在龐大網絡中進行交流，實現思考、情感及運動等多種功能。科學家一直致力模仿這種高效細胞的運作。

現在，麻省大學阿默斯特分校（UMass Amherst）的工程團隊打造出一款人工神經元，不僅模擬真實神經元的行為，還在尺寸、能耗、信號強度、時間節奏以及對化學信號的靈敏度上達到相當水平。

該研究的主要作者、UMass Amherst電機與計算機工程研究生傅帥表示：「我們的大腦能處理海量數據，但耗電量極低，尤其相比運行大型語言模型（如ChatGPT）所需的電力，更是微不足道。」

研究團隊的人工神經元核心是一種記憶電阻器（memristor），利用一種名為硫還原菌（Geobacter sulfurreducens）產生的蛋白質納米線製成。這種納米線能大幅降低記憶電阻器的切換電壓，使其能以極低電壓（約60毫伏）和微小電流（約1.7納安）運作，數值與生物神經元相當。

UMass Amherst副教授姚俊博士強調：「過去的人工神經元需要10倍電壓、100倍功率，而我們的僅用0.1伏，與人體神經元相當。」

團隊將記憶電阻器整合入簡單的電阻-電容（RC）電路中，成功模擬出神經元的電活動各階段，包括充電整合（放電前的積累）、快速去極化（放電尖峰）、再極化（恢復靜息狀態）及短暫的不應期，與真實神經元的節奏同步。

此外，他們增設化學感測器，能偵測鈉離子及多巴胺等神經傳導物質，讓電路能隨化學信號調整電氣特性，模擬神經元的神經調節能力。

更令人驚嘆的是，團隊將這款人工神經元連接到真實的人類心肌細胞，並展示其能即時解讀生物信號，例如感知心肌細胞對去甲腎上腺素藥物的反應，這是將人工神經元與活體組織直接整合的重要里程碑。

姚博士指出：「現時各種穿戴式電子感測系統笨重且效率低，每次感測須先放大信號才能讓電腦分析，這中間步驟增加了耗電和電路複雜度。但利用我們這種低電壓神經元製成的感測器，完全可免除放大步驟。」

當然，這仍屬早期原型，實驗僅在受控實驗室環境下進行，尚未能用於活體。然而，這項發現是生物電子學上的重大飛躍，為未來更自然融合電子與生物技術奠定基礎。

未來這些人工神經元有望協助修復或替代受損大腦迴路，提升腦機介面（BMI）效能，或作為實時監測細胞健康及藥物反應的感測器。由於其極低能耗和生物訊號級運作特性，這類人工神經元或將推動更高效的腦啟發計算硬件發展。

至於何時能走入日常生活，仍需時間驗證。

此研究已刊登於《自然通訊》（Nature Communications）期刊。

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評論與啟示

這項突破不單是生物電子學的新里程碑，更象徵科技與生物界限的逐步模糊。長久以來，神經元作為自然界極致的信號處理器，其高度效率和複雜性讓人類難以複製。此次利用細菌產生的蛋白質納米線製造低能耗記憶電阻器，成功打造出與生物神經元匹敵的人工神經元，顯示跨界生物材料與電子工程的結合潛力無限。

在實際應用層面，這種人工神經元若能實現與活體組織的無縫連接，將在神經疾病治療、腦機介面及智能穿戴裝置等領域掀起革命。例如，對於癱瘓患者，未來或能通過這種技術重建神經迴路，恢復部分功能；甚至在人工智能硬件上，模仿大腦運作的超低功耗神經元網絡，有助突破當前AI能耗瓶頸。

不過，挑戰仍存，尤其是如何在複雜的生理環境中長期穩定運作，以及如何避免免疫排斥和生物兼容性問題。此外，倫理層面如人腦與機械融合的界限也值得社會深思。

總括而言，這項研究不僅是科技的進步，更是科學家跨越生物與電子界限的勇敢嘗試，為未來智慧醫療與人機融合的時代揭開序幕。香港作為科技創新的重要樞紐，應密切關注並積極參與相關研發，推動本地生物電子產業升級，爭取在全球新一輪科技革命中佔有一席之地。

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