类神经的微芯片

        1997年，IBM超级电脑“深蓝”在那场举世闻名的比赛中险胜国际象棋世界冠军Garry  Kasparov（卡斯帕罗夫）。它依靠纯粹的“蛮力”赢得了比赛。它能在1秒钟内考虑约2亿步可能的走法，而其血肉之躯的对手每秒最多只能考虑3步。不过胜利归胜利，计算机在诸如视觉、听觉、图像识别和学习这些领域还远远不是人脑的对手。举个例子，计算机不能像我们那样仅凭一个朋友走路的姿势就从远处把他给认出来。而且要是比较二者能效的话，电脑根本就不能和人脑相提并论。一台房间大小的普通超级电脑比起由神经组织构成的哈密瓜大小的人脑来说，要重1千倍、大1万倍、耗能高100万倍。

        人脑以相对缓慢的速度（千分之一秒左右）在神经元之间传递化学信号，但为何最后却能比最强大的数字处理器更迅速更高效地执行特定任务？其中的秘密看来在于人脑是如何组织它这些运作迟缓的电子元件的。

        人脑并不做执行代码的工作，它采用的方式是激活神经联络（又叫神经突触）。每次激活就相当于执行了一行代码。所以我们可以拿每秒钟内大脑激活的联络数和同样时间内电脑执行的命令数来做比较。突触活动的数目令人吃惊：每秒10*16次！100万台Intel奔腾处理器才能达到这个速度——另外还需要几亿瓦能量来驱动这些机器。

        现在一小群极富创新力的工程师在复制神经元的组织和功能方面取得了巨大进步。研究者们谈论的是将神经联络的结构“类化”到硅电路中去，建立类神经形态的微芯片。如果成功的话，这个成就将能够为盲人植入硅视网膜、为聋人植入声音处理器，这些仪器仅靠一枚9伏电池就能使用30年；也能够制成适用于机器人或者其他智能机器的便宜又好用的视觉、听觉或味觉识别芯片。

        我们这个在宾夕法尼亚大学的实验室开始专注于类化视网膜——那是一层位于眼睛后部仅有半毫米厚的网状组织。视网膜由5层特异神经细胞构成，可以处理从外界获取的图像，并从中提取有用信息，这个过程不需要大脑花什么力气。选择视网膜做突破口的原因是解剖学家已经把这个敏感的系统研究得相当清楚了。后来我们转而研究建立这种生物电路的发展机械学机制——我们把这个过程叫做“元类化”（metamorphing）。



        类神经形态的视网膜

        视网膜上将近100万个神经节细胞会比较从几个或者几百个感光细胞中收集来的视觉信号，每一组细胞负责解释在一小块视野中发生的事情。当某一个区域的特征（如光强）改变的时候，每个神经节细胞就沿视神经向大脑发送电脉冲（也叫尖峰脉冲）。每个细胞根据光强在时间或空间上的相对变化产生相应的脉冲——而不是根据输入的绝对水平。所以视神经的敏感度随着总视觉强度的升高而下降，这样才能适应很多情况，比如说拂晓到正午天空明亮度经历的50倍的升高。

        Misha  A.  Mahowald在取得生物学学士学位之后，便和知名的微电子技术专家Carver  Mead一起在加州理工大学开始用硅复制视网膜，他们是这个领域的先驱。在他们开创性的工作中，Mahowald和Mead用电子方法复制了5层视网膜中的前3层。其他研究者在此方向上继续前进，现在已经进入了模拟视觉和听觉系统的下一个阶段，其中一些人在加州理工大学Mead的实验室里接受过训练（包括笔者）。Kareem  Zaghloul在2001年（当时他是我实验室的博士生）做出了所有5层视网膜，这可以模拟由视神经节（视网膜的输出神经）送往大脑的视觉信号。他的硅视网膜芯片Visio1复制了视网膜上神经节产生反应的4种模式，这些信号经过反馈，可以制造90%的视神经。

          Zaghloul用单个的电压输出来代表眼睛回路中每个神经元的电活动。电流的电压控制由连接在回路给定位置和其他点之间的晶体管传送，模仿了身体调控神经突触的反应模式。由电子感光器探测到的光会影响那部分回路中的电压，类似于光对视网膜上相应细胞的影响。然后他把这些基本回路拷贝粘贴到芯片上，这样就复制了有5层细胞的视网膜是如何活动的。

        芯片是通过离子通道（被电压激活）让神经节细胞释放尖峰信号的方式来进行模拟的。为实现这个目的，Zaghloul安装了一些晶体管，它们会把电流送回电路上同一位置。当反馈电流到达的时候，电压增大，从而获得更大的反馈电流，然后电压进一步放大。当电压达到某一阈值的时候，这个再生效果将加速，直接把电压增到最高水平，于是出现尖峰信号。

        在60毫瓦的时候，Zaghloul的神经芯片能比一台PC机节能1000倍。由于这种硅视网膜耗能低，它为全方位的眼内修复手术开辟了新天地——可以将照相机、处理器和刺激器都移植到病人眼内，这样可以解决因色素性视网膜炎或斑点恶化（这些疾病损害感光细胞但是不影响神经节细胞）而造成的眼盲患者。视网膜修补术现在已经在逐渐发展起来了，比如在美国南加州大学，有一种叫“光幻视视觉”的技术——感受器把世界看成一个光点网格，用植入眼内的微电极刺激神经节细胞来激发光网格，这个系统需要一个可佩戴电脑来处理由装在患者眼镜上的摄像机所取得的图像。由于微电极阵列非常小（小于10×10像素），病人感受到的是狭窄视野——所以他们得移动头部来进行视野扫描。             (责任编辑：泉水)

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