仿生学的科学意义与前沿——神经仿生学，本文主要内容关键词为：仿生学论文,神经论文,意义论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
神经仿生学是神经科学与现代技术相结合的产物。最明显的例子是应用色觉三原色理论发明了彩色印刷和彩色电视，应用视觉暂留（视后像）的原理发明了电影。此外，模拟人脑控制和协调肢体运动的原理，设计了能自动调节握力的机器手，既能轻轻地握住一个鸡蛋，又能使劲地举起数十斤的重物。在当今人类探索宇宙的时代，根据内耳前庭器官的结构原理，设计能自动控制身体平衡的机器人，它能适应地外星球复杂的地貌，跋涉万里，并传回信息。在医疗方面，现代的心跳起搏器每年都要从死神手中挽救成千上万心脏病患者的生命。仿生耳和仿生眼已经有可能让耳聋者复聪，让失明的盲人恢复部分视觉。在电子学技术和信息科学高度发展的今天，随着科学和技术的进步，神经仿生学会出现更加广阔的发展前景。下面简要介绍近年来仿生学在感觉模拟和运动控制方面所取得的进展。
一、仿生眼
从1989年以来，美国、德国、和澳大利亚的一些大学和研究所一直在寻求用仿生学方法来设计各种类型的人工眼，已经在动物实验上取得了一定的进展。仿生眼的设计是基于视网膜结构的以下特点：1、外界物体通过晶状体聚焦在视网膜上形成光学图像；2、电流刺激视网膜的输出级神经元（神经节细胞）能产生闪光感觉。研究者试图将仿生眼应用于视网膜色素变性和黄斑变性导致的失明，这两种疾病都只破坏视网膜的感光细胞层，其输出级神经元功能正常。
仿生眼分“眼式”和“脑式”两种形式。眼式仿生眼的关键性部件是一片种植在视网膜上的微型芯片（人工视网膜），由硅光电二极管阵列组成。一个被装置在眼镜架上的摄像机把图像信息传递给人工视网膜，通过光电效应产生电流，刺激视网膜神经节细胞产生兴奋，从而引起光的感觉。脑式仿生眼是用在视网膜被完全损坏的情况。在这种情况下，刺激电极阵列是直接种植在大脑初级视皮层上。这种系统的基本构造与前一种一样，不过摄像机获得的信息是传送给植入视皮层的硅片，以便将光学图像转换成电刺激，作用在大脑视皮层上（电流刺激初级视皮层也会引起闪光感觉）。需要特别指出的是，目前这样的装置代价昂贵（手术加器件），而且只能给盲人提供某种光感和十分有限的图形感觉。即使是从长远观点看，由于视觉系统结构和功能的复杂性，用视网膜或皮层电刺激的方法不可能产生精细视觉、立体视觉、和色觉。虽然美国已成立了专门的研究所和公司，但是，直到目前为止，美国食品和药品管理局还没有批准将这种技术应用于盲人。
二、仿生耳
仿生耳的先驱者是澳大利亚G.Clark教授。他和他的研究所经过35年潜心研究，发展了一种人工听觉装置，可通过电流刺激内耳神经来产生听觉。仿生耳由一个体内的耳蜗植入器（一种微型电子刺激器）和一个体外的语言信息处理器组成。耳蜗植入器包括一个环形的接收天线、一个接收刺激器、和一束细导线组成的耳蜗电极阵列。通过手术将该器件埋在患者耳后的皮下，将细导线做的刺激电极阵列插入耳蜗内，以刺激耳蜗神经产生声音。语言信息处理器可放在衣服口袋里，或褂在腰带上。它包括一个麦克风、一个环形的发射天线、和一个微处理器。它和耳蜗植入器件之间通过调频无线电波联系。仿生耳适用于耳蜗神经未受损坏的儿童和成年人。目前国外市场上已有较成熟的产品。据介绍，接受了仿生耳蜗植入的耳聋者可以听到80%的语言。
三、运动控制仿生学
在中枢神经系统内，感觉和运动信息都是通过电脉冲的形式进行传递的。神经通讯的这个特点为研究“人（脑）—机（计算机）”界面提供了基础。人体四肢的运动受大脑运动区调控。当运动区向肢体的肌肉发出运动指令时，用皮层电极可以记录到相应的电信号。如果在瘫痪病人的运动区内植入电极阵列硅片，当他想要执行某种肢体运动时，植入的电极就会从被记录的脑区检测到一系列信号。将此信号放大后，经无线电发射器传送给体外的接收器，再将该信号输入电脑。经过若干时日的训练之后，瘫痪者就可以学会用这个系统按照自己的意愿随意移动计算机光标，在菜单式屏幕上对电脑进行控制，或通过电脑屏幕的虚拟键盘打印信息。此外，利用眼球运动的信息，也可以让四肢瘫痪者通过虚拟键盘来操作电脑。类似的技术也可用于脊髓截瘫者。具体做法是通过脊髓植入电极将损伤以上的脊髓节段发出的信号传递给损伤以下脊髓节段，从而恢复大脑对下肢肌肉的控制；也可用此信号来控制机器腿，以代替下肢的功能。美国麻省理工学院的研究者将一个芯片植入猴子大脑的运动皮层，以引导猴控制手臂运动的电信号。他们把猴脑发出的信号通过英特尔网传送到在另一个地方的机器人，当猴子的手臂执行一个获取食物的动作时，其运动区的脑电也同时控制远处机器人的手臂执行同样的动作。
基于仿生学在实现人—机界面方面所取得的进展，有人预言，在二十年后，仿生学、纳米技术、和基因技术将成为促进社会生产力实现跨越式发展的三大支柱。