サイエンスフィクションが現実になる！人工ニューロンがハエトリグサの制御に成功、脳とコンピューターのインターフェースの変革を促進する可能性

著者: クーパー

1980 年代に、アメリカのコンピュータ科学者カーバー・ミードは論文の中で「ニューロモルフィック エンジニアリング」という用語を作り出した。

彼は 40 年以上にわたり、人間の感覚と処理メカニズム (触覚、視覚、聴覚、脳の思考など) をシミュレートできる分析システムの開発に取り組んできました。

現在、ニューロモルフィック コンピューティング テクノロジーがどのようなものであるかについてまだよく知らない人が多い一方で、これらのシステムの理論に基づくより広範なテクノロジー、つまり人工知能についてはよく知っています。

近年、多くのスマート チップのアーキテクチャはニューロモルフィック コンピューティングの研究の影響を受けており、ニューロン レベルのコンピューティング機能を実現し、ニューロモルフィック コンピューティングを通じてコン​​ピューティング戦略を最適化するように設計されたシリコン アーキテクチャが数多く生まれています。

将来を見据えると、脳コンピューターインターフェース技術は、典型的なニューロモルフィックエンジニアリングの応用です。科学者は、人間の機能を修復し強化するために、人工の神経形態学的デバイスを生物学的システムに統合する必要があります。

しかし、シリコンベースのニューロモルフィックデバイスは、一般的に生体適合性が低く、回路が複雑で、エネルギー効率が低く、生物学的イオン信号変調とは動作原理が根本的に異なるため、生体統合の可能性は大きく制限されています。

今日、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された新しい論文では、ハエトリグサの生物細胞とうまく接続して、植物が葉弁を閉じることができる人工ニューロン（OECN）が報告されています。

図 |実験中に収集された神経信号（出典：Nature Communications）

論文によれば、OECN はあらゆる印刷有機電気化学シナプス (OECS) と統合してさまざまな刺激に反応することができ、植物、昆虫、さらには脊椎動物の生物学的シグナル伝達システムと統合されることが期待される局所人工ニューロンシステムの新たな展望を定義している。この発見は、脳コンピューターインターフェースとソフトロボティクスの将来の発展に影響を及ぼす可能性があります。

人工ニューロンの探究

**生物の基本的な構成要素は電子機器のものと根本的に異なることはよく知られています。したがって、人工デバイスを生物システムとリンクさせる能力は、科学研究の困難な新興分野です。

ソフトウェアベースのニューロモルフィック アルゴリズムはバイオメディカル システムに統合されていますが、最終的には、生体組織と緊密に結合され、イベントの感知と生物システムの処理能力を活用して機能を進化させることができるハードウェア ベースのシステムが必要になります。

生物学的シグナル伝達システムから設計概念を借用したニューロモルフィック システムは、このギャップを埋めると期待されています。

近年、有機半導体は産業界から高く評価されており、人工シナプス、ニューロエレクトロニクス、神経インターフェースなどへの応用が増加しています。構造的な観点から見ると、有機半導体は溶液処理性、生体適合性、生分解性、柔らかさなどの特性を持っています。これらは、特定の励起、感知、駆動機能を提供し、電子信号とイオン信号の伝送をサポートします。

関連レポートで言及されている有機電界効果トランジスタ (OFET) に基づく人工ニューロンは、大きな用途を示していますが、動作には高電圧 (5V) 入力が必要であり、これは生物と統合する場合に明らかな重要な問題となります。

もう一つの有望な技術の方向性は、有機電気化学トランジスタ (OECT) です。これは、生物システムのイオン駆動プロセスおよびダイナミクスと同様に、有機チャネル材料のゲート駆動イオンドーピング/アンチドーピング変調です。

OFET と比較すると、OECT は大幅に低い電圧 (<1 V) で動作でき、トランスコンダクタンスが高く、閾値電圧の安定性が良好で、一般に生体適合性が非常に高いという特性があるため、OECT は、生物システムのシグナル伝達特性に非常によく似たイオン媒介スパイク機構を備えた、印刷可能で生体適合性のある人工スパイク神経回路の開発に最適な候補となります。

図 |有機電気化学ニューロンと生物学的ニューロンとの類似性（出典：Nature Communications）

この最新の研究では、OECN は、イオン濃度依存性スパイクやスパイクタイミング依存性可塑性 (STDP) など、いくつかのニューロン特性を示し、印刷された有機電気化学シナプス (OECS) と統合され、450% を超える周波数変調で広範囲の入力電流 (0.1～10 µA) に応答します。

実験では、研究者らはトランジスタのイオン濃度依存スイッチング特性を初めて利用し、生物系とほぼ同様の方法でスパイク周波数を調節したが、これはOFETベースやシリコンベースのニューロンでは不可能である。

このコンダクタンス変調により、ペアパルス促進による短期可塑性と、1000 秒以上維持される長期可塑性が可能になります。彼らは、OECN の柔らかさ、柔軟な基板上に印刷できること、イオン変調スパイク、および多重刺激応答により、生物学的神経ネットワークとの容易な統合アプリケーションへの新たな道が開かれると予想しています。

主なリンクと調査結果

全体として、この研究結果には 4 つの重要な側面があります。

まず、印刷された有機電気化学トランジスタ。

研究者らは、スパイキング OECN を作成するために軸索ヒルロック (AH、細胞体が軸索に近いニューロンの領域を指す) 回路を選択しました。これは、スパイキング ニューラル ネットワーク (SNN) とイベント ベース センサーに適した最もコンパクトなモデルであるためです。回路は n 型および p 型の OECT で構成されています。 OECT は、ポリエチレンテレフタレート (PET) 基板上にスクリーン印刷されたカーボンおよび銀電極を備えた横方向の Ag/AgCl ゲート構成を備えており、銀の下層がライン抵抗を低減し、カーボンはポリマー半導体と接触する化学的に不活性な層として機能します。

第二に、電気機械的および化学的ニューロン、類似の生物学的ニューロンおよび生物学的統合。

OECN の動作メカニズムは、生物学的神経細胞のメカニズムと似ています。安静状態では、神経細胞の外側は過剰な正電荷を持ち、細胞の内部は過剰な負電荷を持ちますが、これは脂質細胞膜の絶縁特性によって維持されています。

神経細胞の動作と同様に、OECN 回路では入力端子に注入された電流 (Iin) を積分することでスパイクが生成されます。さらに研究を進めると、リセット トランジスタの動作原理は神経細胞内の電圧依存性カリウム チャネルの動作原理と似ていることがわかりました。膜容量は生物学的ニューロンにおける活動電位の伝導速度に重要な役割を果たしており、膜容量が低いほど伝播が速くなります。神経細胞では、軸索をミエリンと呼ばれる絶縁層で包むことによって静電容量が減少します。

OECN の注目すべき特徴は、特にシリコンまたは OFET ベースのスパイクニューロンと比較して、電解質のイオン濃度を調整することでスパイク周波数を直接制御できることです。スパイクを生成するために膜電圧が所定の閾値を超えることを必要とする生物学的ニューロンの漏れ動作と同様に、OECN 回路は特定の電流閾値を下回るとトリガーされません。

この回路を SNN やイベントベースのセンサーに適用する場合、低消費電力が重要です。この回路の主な電力消費源は増幅ブロックであるため、回路の動的電力消費は IDD、ダイナミック、および VDD の積になります。インバータは0.6Vの低い動作電圧で動作できるため、IDDの動的最大値は25μAとなり、最大動的消費電力は15μWとなります。フォトリソグラフィー技術によってチャネル サイズを縮小することで、OECN の消費電力を低く抑えることができ、OECT を流れる電流も減少します。チャネルが小さくなると、OECT の応答時間が長くなり、エネルギー消費も削減されます。

OECN の生体統合能力を実証するために、研究者らはこの完全に印刷されたニューロンをハエトリグサに接続しました。ハエトリグサのトラップ閉鎖は、DC 刺激、直接電荷注入、AC 刺激、容量誘導電流などの電気刺激によっても誘発できるため、人工ニューロンとの統合に非常に適しています。

3番目は、印刷された有機電気化学シナプスです。

OECS は、OECN と同じ印刷電極構造を使用して製造されました。 OECS の伝導率の長期的な増加は、チャネルにゲート電圧パルスを適用することによって達成されます。これは、生物学的シナプスにおける N-メチル-D-アスパラギン酸 (NMDA) 受容体を介した新しい受容体の挿入に似たプロセスであり、シナプス強度の長期的な増加につながります。 OECS は合計 150 種類の異なる状態を示し、状態保持時間は 1000 秒を超えます。

図 |印刷された有機電気化学シナプス（出典：Nature Communications）

4番目は、有機電気化学ニューロンとシナプスの統合です。

生物学的シナプスでは、シナプス前入力によってシナプスの強度が変化することはありません。これは、シナプスの強度がすぐに飽和してしまうためです。シナプス前ニューロンスパイクとシナプス後ニューロンスパイク間の時間的相関は、スパイクタイミング依存性可塑性 (STDP) と呼ばれるシナプス可塑性の長期的な増加/減少の根底にあり、連合学習を可能にします。

OECN と OECS の重要性をさらに説明するために、この研究では、OECN に接続されたシナプス トランジスタを使用してヘブ学習 (人間が世界を観察し理解するプロセスと非常に一致する教師なし学習ルール) を実行する単純な神経シナプス システムを実証しました。ニューロンに興奮性電流を入力する代わりに、シナプスに電圧が印加され、シナプスの強度に応じて電流に変換され、スパイク周波数が調整されます。

この有機電気化学シナプスシステムにおけるヘブビアン学習の実証は、局所学習機能を備えたより複雑な感覚および処理システムの構築に拡張できる重要なステップです。

フィギュア｜『攻殻機動隊』の人間と機械の融合のSFシーン

「人間と機械の統合」の未来は有望

研究者らは、シリコンベースの回路と比較すると、STDPを採用したOECN神経シナプスシステムは部品数がはるかに少なく、回路を大規模に印刷でき、製造能力も高いと述べ、またOFETベースの回路と比較すると、ニューロンをフレキシブル基板上に完全に印刷でき、低電力で動作するため、将来のモノのインターネットに向けた低コストの分散型インテリジェントユニットを開発できるとしている。

OECN のスパイク周波数は、アンプの入力電流、膜容量、電圧を変更することで調整できます。この特性と、電解質濃度を調整することでピーク周波数を調整できる能力により、生体システムへの統合が容易になり、将来の埋め込み型デバイスの開発が促進されると期待されています。

研究者らは、OECN をハエトリグサに接続し、ニューロンの発火頻度に基づいてその葉の閉鎖を誘導することによって、この可能性を実証しました。将来的には、さまざまな生物学的、物理的、化学的信号を感知する独自の能力により、さまざまなセンサー検出が可能になります。

フィギュア｜アニメ『エヴァ』に登場する超生体コンピュータ

将来的には、複数のセンシング要素をニューロン自体に融合できる可能性により、モノのインターネット用のスマートなニューロモルフィックパッケージング、継続的な身体の健康モニタリング（ウェアラブル電子機器など）、脳コンピューターインターフェースなど、さまざまな用途を持つ新しいタイプの生体統合型センサーの開発が可能になる可能性があります。

OECNとOECSから構成される局所人工神経シナプトソームシステムは、植物のシグナル伝達系、無脊椎動物と脊椎動物の拡散神経系、末梢神経系、中枢神経系と統合することで、さらなる可能性を生み出すことが期待されます。

多くのSF作品では、人類は未来における生物と機械の完璧な組み合わせを大胆に描いています。非常にサイバーパンクではあるが、根拠がないわけではない。おそらく、技術の進歩により、科学者が人間と機械の統合に関するさまざまな課題を克服できれば、その夢は実現するでしょう。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28483-6

出典: アカデミックヘッドライン