人工 - 生物神經元界面
侵入性的腦機界面自 1970 年代發明以來，使得局部神經義肢技術 (neural prosthesis) 得以發展，在操控上也是大區域地進行測量和控制，而類神經網絡技術今日的發展，提供了另一種更具潛力的神經義肢結構，第一可以節省耗能，第二大量地減小了植入儀器的體積，第三可以無線輸入及輸出神經脈衝資訊。生物神經元上有一個重要的特徵是突觸之間有可塑性 (synaptic plasticity)，使得神經網絡可以學習，甚至鞏固記憶。本實驗的儀器主要是利用了人工類神經元，透過人工突觸與實際生物神經元實際做連接，並且讓兩種神經元之間的突觸有突觸可塑性的功能。
實驗裝置分成三個部分，類神經元 (ANpre 和 ANpost 即 Artificial Neuron)、憶阻器 (MR1/ABsyn 和 MR2/BAsyn 即 Memristor polarity 代號)、微電極陣列和老鼠海馬迴神經元 (BN 及 Biological Neuron)，分別位於瑞士、英國、意大利，三個不同的區域，而三個裝置的神經脈衝資訊是透過網際網絡 UDP 協定傳送。
神經網絡架構如下: ANpre ---> MR1 ---> BN ---> MR2 ---> ANpost
ANpre 和 ANpost 是 VLSI 設計網絡中的矽制類神經元；MR1 和 MR2 是當前最常見的 Pt/TiO_x/Pt 憶阻器，常用於模擬神經突觸；BN 端則是用電容式電極 (CME) 插入老鼠海馬迴神經元。
憶阻器學習使用的定理是 BCM 原理，是來自 CA1 錐裝神經元 glutamergic 突觸的可塑性現象，當前突觸輸入高頻脈衝會導致長期增益 (Long term potentiation, LTP)，當前突觸輸入低頻脈衝則會導致長期抑制 (Long term depression, LTD)。
實驗過程如下：
1. 給予 ANpre 電流刺激，提高神經脈衝頻率。
2. 透過網絡封包傳送 ANpre 輸出的訊息至 MR1，引發突觸 LTP。
3. 刺激資訊傳送至 CME 刺激 BN，再傳出脈衝資訊到 MR2。
4. MR2 根據接收到的脈衝高低頻資訊判定是 LTP 或 LTD，再將脈衝資訊傳到 ANpost。
實驗只示範了一些簡單的操作，也成功呈現了 BCM 原理的學習結果，成功地將單顆人工類神經元和生物神經元進行連結，並且透過這樣的裝置進行學習或操控。不僅如此，此實驗帶來的突破還有透過無線網絡傳送脈衝資訊，這對神經修復的技術是個重要的突破，畢竟不再需要用體積大的侵入式裝置，而是用奈米等級的裝置進行手術。這樣的裝置目前還停留在幾顆神經元的小量階段，如果要到大量神經元等級，人工神經元端的計算能力和速度可能需要大幅度增強才能達到即時連結的效果，但不可否認這是神經技術上的一大突破。
撰稿：薛又齊
原文：Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons. Alexantrou Serb, Andrea Corna, Richard George, Ali Khiat, Federico Rocchi, Marco Reato, Marta Maschietto, Christian Mayr, Giacomo Indiveri, Stefano Vassanelli & Themistoklis Prodromakis. Scientific Reports volume 10 (2020).
原文網址：https://www.nature.com/articles/s41598-020-58831-9
實驗裝置分成三個部分，類神經元 (ANpre 和 ANpost 即 Artificial Neuron)、憶阻器 (MR1/ABsyn 和 MR2/BAsyn 即 Memristor polarity 代號)、微電極陣列和老鼠海馬迴神經元 (BN 及 Biological Neuron)，分別位於瑞士、英國、意大利，三個不同的區域，而三個裝置的神經脈衝資訊是透過網際網絡 UDP 協定傳送。
神經網絡架構如下: ANpre ---> MR1 ---> BN ---> MR2 ---> ANpost
ANpre 和 ANpost 是 VLSI 設計網絡中的矽制類神經元；MR1 和 MR2 是當前最常見的 Pt/TiO_x/Pt 憶阻器，常用於模擬神經突觸；BN 端則是用電容式電極 (CME) 插入老鼠海馬迴神經元。
憶阻器學習使用的定理是 BCM 原理，是來自 CA1 錐裝神經元 glutamergic 突觸的可塑性現象，當前突觸輸入高頻脈衝會導致長期增益 (Long term potentiation, LTP)，當前突觸輸入低頻脈衝則會導致長期抑制 (Long term depression, LTD)。
實驗過程如下：
1. 給予 ANpre 電流刺激，提高神經脈衝頻率。
2. 透過網絡封包傳送 ANpre 輸出的訊息至 MR1，引發突觸 LTP。
3. 刺激資訊傳送至 CME 刺激 BN，再傳出脈衝資訊到 MR2。
4. MR2 根據接收到的脈衝高低頻資訊判定是 LTP 或 LTD，再將脈衝資訊傳到 ANpost。
實驗只示範了一些簡單的操作，也成功呈現了 BCM 原理的學習結果，成功地將單顆人工類神經元和生物神經元進行連結，並且透過這樣的裝置進行學習或操控。不僅如此，此實驗帶來的突破還有透過無線網絡傳送脈衝資訊，這對神經修復的技術是個重要的突破，畢竟不再需要用體積大的侵入式裝置，而是用奈米等級的裝置進行手術。這樣的裝置目前還停留在幾顆神經元的小量階段，如果要到大量神經元等級，人工神經元端的計算能力和速度可能需要大幅度增強才能達到即時連結的效果，但不可否認這是神經技術上的一大突破。
撰稿：薛又齊
原文：Memristive synapses connect brain and silicon spiking neurons. Alexantrou Serb, Andrea Corna, Richard George, Ali Khiat, Federico Rocchi, Marco Reato, Marta Maschietto, Christian Mayr, Giacomo Indiveri, Stefano Vassanelli & Themistoklis Prodromakis. Scientific Reports volume 10 (2020).
原文網址：https://www.nature.com/articles/s41598-020-58831-9
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