南開造出首款仿生聽覺交互神經(jīng)接口，有望跨越病損神經(jīng)重建通路

本文是專業(yè)學(xué)術(shù)論文解讀，不做醫(yī)療建議。

作為一個說中文的人，我們聽到“xing xing”，其實指的可能是星星，也可能指的是猩猩。但是，對于傳統(tǒng)的聽覺傳感器件，它只能夠把聲音轉(zhuǎn)成電信號，至于這個詞是天上掛的星星還是動物園里關(guān)的猩猩，它沒有能力分清楚，佩戴者只能靠上下文去猜。

南開大學(xué)徐文濤團隊在《自然·材料》上發(fā)表了一篇論文將有望改寫這一局面，他們研發(fā)了人造聽覺神經(jīng)，能夠分清這兩個詞，當“星星”和“猩猩”被輸入系統(tǒng)的時候，人造突觸產(chǎn)生的電流分別是 59 微安和 89 微安，兩者差了 30%，而這個差距足夠讓系統(tǒng)去做出判斷。

據(jù)了解，這套設(shè)備覆蓋了人耳所能聽到的全部頻段，從 20 赫茲覆蓋到 2 萬赫茲，并能夠在嘈雜環(huán)境中實現(xiàn)精準的聲音辨別。它引入了一種名為側(cè)向抑制的神經(jīng)計算邏輯，可以模擬生物聽覺系統(tǒng)集中注意力的方式。側(cè)向抑制指的是，在聽到一個聲音之后神經(jīng)細胞會主動地抑制周圍同類細胞的響應(yīng)，讓大腦把注意力集中在某一個方向上，其實這也是人類能在一片嘈雜中聽清對面說話的原因。

（來源：《自然·材料》）

本次研究團隊使用一種星形拓撲結(jié)構(gòu)的人造神經(jīng)電路實現(xiàn)了這種側(cè)向抑制，讓這套系統(tǒng)在嘈雜環(huán)境下能夠精準分辨聲音的頻率和位置，也讓人造聽覺擁有了選擇性注意的能力。

這項技術(shù)的關(guān)鍵是一層氧化鎢納米線，其直徑大約 400 納米，比人類頭發(fā)絲細兩百倍。它通過質(zhì)子的可逆插入和提取去模擬神經(jīng)突觸的可塑性。當質(zhì)子鉆進晶格，電阻就會變化；當質(zhì)子跑出來，電阻又能夠恢復(fù)，這個過程讓設(shè)備可以記住前一個聲音，從而在處理連續(xù)語音時擁有了語義理解的基礎(chǔ)。

本次設(shè)備在 1.6×10? 次脈沖刺激之后仍然能夠保持穩(wěn)定的電導(dǎo)窗口，興奮電流和抑制電流分別維持在 67 微安和 3.64 微安左右，較高的穩(wěn)定性意味著它可以在長期使用中持續(xù)工作。

研究團隊還進一步將其擴展為一個 8×8 的突觸晶體管陣列，其被用于三維聲源定位，五個聽覺傳感器單元呈四面體形式排列，覆蓋了 30 個空間位置。基于聲波到達不同傳感器的時間差，讓系統(tǒng)能夠計算出聲音在三維空間中的方位。識別測試結(jié)果顯示，在多達 30 個空間位置上，60 次獨立測試的結(jié)果準確率高于 95%。

（來源：《自然·材料》）

研究團隊初步嘗試跨越兔子病損聽覺神經(jīng)，把人造聽覺系統(tǒng)與兔子的坐骨神經(jīng)連接起來，重建通路，以此驗證研制設(shè)備的運行功能以及人造神經(jīng)接口信息傳遞的有效性；同時，通過觀測兔子接收信號指令并做出應(yīng)答、完成預(yù)設(shè)行為任務(wù)的表現(xiàn)，驗證了活體生物按照人為指令執(zhí)行指定作業(yè)的可行性。

（來源：《自然·材料》）

本次研究則嘗試從外周神經(jīng)旁路電子重建的角度開展工作，采用事件驅(qū)動的神經(jīng)形態(tài)進行處理。系統(tǒng)不依賴于預(yù)設(shè)的固定頻率-電極位置映射，而是讓聲音信號驅(qū)動傳感器產(chǎn)生電脈沖，電脈沖動態(tài)地調(diào)節(jié)人造突觸的電導(dǎo)狀態(tài)。這種調(diào)節(jié)具有頻率依賴性和歷史依賴性，能夠保留更豐富的時間信息和動態(tài)特征，從而在同音詞、語調(diào)和噪聲環(huán)境下實現(xiàn)更高的語義分辨能力。

（來源：《自然·材料》）

研究團隊所使用的人造突觸材料是氧化鎢納米線，背后本質(zhì)上是質(zhì)子和電子同時注入晶格導(dǎo)致的相變。研究團隊還用離子凝膠做電解質(zhì)，給納米線施加電壓之后，質(zhì)子就會鉆進晶格，進而把單斜晶系的 WO? 變成 HxWO?，結(jié)構(gòu)變了，電阻也會變。假如撤掉電壓，質(zhì)子就會跑出來，結(jié)構(gòu)就會恢復(fù)。這個過程是可逆的，而且速度很快，重復(fù)一百萬次以上依然穩(wěn)定。

不過，這條路離臨床應(yīng)用還有一定距離，活體實驗只在兔子身上做了一小部分，目前沒有在靈長類動物上驗證，也沒有人體臨床數(shù)據(jù)。從原理上來說，這套系統(tǒng)展示了一個完整的、可工作的新范本，它證明了人造神經(jīng)形態(tài)電子系統(tǒng)能夠跟生物神經(jīng)直接接口，也證明了神經(jīng)形態(tài)處理可以和生物神經(jīng)進行信息交互，更證明了同音字區(qū)分和三維聲源定位能夠用同一個硬件平臺實現(xiàn)。下一步，他們計劃繼續(xù)圍繞神經(jīng)修復(fù)與仿生智能開展研究。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1038/s41563-026-02656-w

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成

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