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神經細胞與有機半導體的結合–精巧的仿化學突觸裝置

類神經網路(Artificial Neural Network)推進了許多領域的進展,他讓電腦可以識別圖片中的物體、擊敗職業圍棋棋士、更準確的翻譯。類神經網路也被應用在建立腦機介面(Brain-Computer Interface)與義肢介面上(Prosthetic Interface ),然而這兩種應用都需借助電腦軟體來處理接收到的神經數據,最理想的情況是能夠建立硬體的類神經網路,直接和神經交換與處理訊息。要能讓硬體與神經細胞直接連結,材料必須和神經細胞相容,並且能夠接收與傳遞神經訊號。本文章的作者利用PEDOT:PSS這個有機聚合物半導體作為與細胞相容的材料,除了能讓細胞長時間存活之外,與其他現有材料不同的是,不只能接收電流訊號,也能因著化學突觸傳遞的神經傳遞物—多巴胺,而改變導電率。該材料還能夠和化學突觸一樣具有神經可塑性(Neural Placisity),在長期刺激的情況下,感變材料的導電性,而有類似於記憶或是學習的功能。

該作者設計了以下具有可塑性的生物相容半導體裝置:

圖一、(a)化學突觸的機制:突觸會釋放神經傳遞物質,被突觸後神經接收。此突觸後神經具有可塑性,當持續被刺激時,會製造更多的神經傳遞物接收蛋白,以致更容易被激發。(b)仿化學突觸裝置:由PC-12細胞、PEDOT:PSS組成,PEDOT:PSS又分為閘極(Gate)以及通道(Channel)。(c)微流道裝置:PEDOT:PSS半導體鑲嵌於微流道中,流道中也包含了PC-12細胞以及培養液(d)單一PEDOT:PSS元件:綠色螢光標記的是PC-12 細胞。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y

PEDOT:PSS半導體的作用機制為在閘極接受到電流時,電荷狀態會隨之改變,進而使電荷流向通道,使通道的電導改變。在此裝置中,當PC-12細胞釋放的多巴胺接觸PEDOT:PSS閘極的時候,會發生氧化還原反應而改變閘極的電荷狀態,使得溶液(此為細胞培養液)中的電荷由閘極流向通道,而改變通道的電導,但由於氧化還原反應會長時間的改變PEDOT:PSS的電荷狀態,使該材料有相似於記憶的功能。由圖二所示,當閘極接收到電流時,通道電導會迅速地降低。因為多巴胺氧化,電導仍會持續緩慢地降低。在停止對閘極施加電壓後,雖通道的電導不再有大幅的變化,但因多巴胺氧化而造成的變化仍會存在。

圖二、閘極電位與通道電導的變化:在閘極通電會使通道產生短暫快速的電導改變,而多巴胺氧化會使通道有較緩慢但是持續時間長、不可復原的電導變化。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y

要能夠真實的模擬化學突觸,另一個重要的特性是神經傳遞物的回收機制。化學突觸除了釋放神經傳遞物之外,還需要藉由回收來避免神經傳遞物持續累積於突觸。該作者利用調控微流道的流速來達到與神經傳遞物回收機制類似的效果。由圖三所示,當流速較快時,多巴胺會迅速地被稀釋。相反地,流速較低時,多巴胺能停留在閘極的時間較長,因此氧化還原反應較劇烈,通道的電導隨之下降。

圖三、在不同的流速下,微流道中通電導的變化
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y

作者利用PEDOT:PSS與微流道仿造了化學突觸的三個關鍵特性:神經傳遞物訊號的接收、神經的可塑性、神經傳遞物的回收。藉由作者所設計的裝置,讓活體神經細胞與硬體相接這個困難的挑戰有所突破。然而此裝置仍然是一個相對簡易的設計,閘極所接收到的神經傳遞物質來自周圍許多的PC-12細胞,並非單一個細胞。期盼該團隊未來的新裝置能夠有更小的半導體元件,更精準地與特定神經元連結,並且能夠與一個神經網路交換訊息,進而實現神經細胞網路與硬體電路的結合。

參考文獻:

1.Keene, S. T., Lubrano, C., Kazemzadeh, S., Melianas, A., Tuchman, Y., Polino, G., … & Santoro, F. (2020). A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nature Materials, 19(9), 969-973. https://doi.org/10.1038/s41563-020-0703-y

撰文|李柏萬
審稿|蔡京庭

 

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李柏萬

大學就讀清大生科學士班,碩士就讀德樂斯登工業大學的再生生物醫學學系。

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