激光模拟生物神经元发光有望重塑大脑

2014-05-20 11:27

　　近日，根据一组法国物理学家的证实，一个建立在薄层半导体上的微小激光器可以模拟生物神经元发光，该团队表示当其输入的信号最小量大于阈值并且能及时的传播时，这种“微柱”激光就会发光，而这正如生物神经元的关键特征。

　　人脑是由大约1000亿个神经元组成，其中每一个神经元通过数千计的微小突触接收来自其它神经元的电信号。当信号在其突触的总和超过一定的阈值时，神经元便会发光。这样的神经元就被称作“兴奋的”：低于阈值输入该系统的输出是微小的，线性的，但高于该阈值输入则会使输出变得巨大而且非线性。

　　重塑大脑

　　长期以来，科学家们一直试图建立可以重现的大脑的巨大的处理能力的人工神经元，让其可以拥有现有的数字电脑不具备的并行能力。许多这方面的探索都集中在硅电路，而少有一些已探索出更加新颖的方法，如利用被称为约瑟夫森结的超导装置。

　　最新的研究方向摒弃了纯粹的电子，而是开始依赖于光学。SylvainBarbay和他在在法国国家科学研究中心实验室的同事们便使用的是所谓的“微柱”激光器。这是一个10微米高直径几微米的筒状装置，包括在衬底上生长的半导体材料的交替层。这些层创建一个由两个平行的反射镜激光介质的有界区域，并吸收弱光同时传输更高强度的光。

　　快速射击

　　为了证明其与神经元有同样的特征，研究者将光泵浦装置与794纳米二极管激光器阵列，然后进一步用800纳米的钛-蓝宝石激光器激发它。使用后者的单脉冲，它们能够表现出兴奋性，只有当暴露于某些几十纳焦的脉冲时装置才会发光。而这些脉冲只有200皮秒的时间尺度。这使得人工神经元在毫秒级的响应时间内比任何生物或电子同行更快。

　　通过钛蓝宝石激光脉冲，Barbay和他的同事们还能够证明他们模仿的神经元第二个基本属性：在发光中存在间隙时间。Barbay表示如果没有这个间隙，一个神经元的活动可能会变得紊乱，与噪声引发其他脉冲。他们发现，当受到两个输入脉冲间隔小于150ps时，该设备只发光一次。这个时间间隔被称为“绝对不应期”。研究人员还发现，当两个脉冲发生的时间间隔为150和350ps时，该设备具有“相对不应期”。在这种情况下，所发出的光较弱。此时设备的发光只响应于一个初始脉冲。

　　系统具有“记忆”

　　“在使用光学系统之前这样的相对不应期从未被发现过。”Barbay表示，“它的发现是有趣的，因为它强制使生物神经元类比，因为它表明，该系统具有其先前状态的记忆”Barbay同时指出，科学家们构建的计算机能够模拟大脑的路还很漫长，因为他表示这是将所有神经元归一到单一的模式是不现实的，同时也因为神经元在数大脑中的连接状态超越现有的技术能计算的能力。但他补充说，他的小组的设备有可能为神经元的小型网络的建设提供帮助。