科學(xué)家利用人工智能(AI)系統(tǒng)試圖復(fù)制在自然界中觀察到的生物機(jī)制和行為，這方面的一個(gè)關(guān)鍵例子是電子突觸(e-synapses, e-synapses)，它試圖復(fù)制神經(jīng)細(xì)胞之間的連接，使電或化學(xué)信號(hào)能夠傳輸?shù)饺梭w的目標(biāo)細(xì)胞，即突觸。在過(guò)去的幾年里，研究人員使用單一的物理設(shè)備模擬了多功能突觸功能。這些設(shè)備很快就能在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)高級(jí)學(xué)習(xí)和記憶功能，模擬人腦的功能。新研究提出了用于模式識(shí)別的靈活、透明甚至生物兼容的電子設(shè)備。
這可能為新一代可穿戴和可植入突觸系統(tǒng)鋪平道路，然而，這些“隱形”的電子突觸也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：它們很容易溶解在水中或有機(jī)溶液中，這對(duì)于可穿戴應(yīng)用來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)非理想。為了克服這一限制，上海復(fù)旦大學(xué)研究人員已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)一種新的穩(wěn)定、靈活和防水的突觸，適合在有機(jī)環(huán)境中應(yīng)用。在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)《Nanoscale Horizons》上發(fā)表這項(xiàng)研究中，復(fù)旦大學(xué)的科學(xué)家們概述了其研究成果。
提出了一種新的，完全透明的電子設(shè)備，可以模擬基本的突觸行為。如配對(duì)脈沖促進(jìn)(PPF)、長(zhǎng)期增強(qiáng)/抑制(LTP/LTD)和學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)過(guò)程。在目前的工作中，首次展示了一種基于全透明電子設(shè)備的穩(wěn)定防水人工突觸，適用于有機(jī)環(huán)境中的穿戴應(yīng)用。研究人員研制的這種柔性全透明防水裝置，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透光率約為87.5%，取得了顯著的效果。它還能夠在彎曲狀態(tài)下可靠地復(fù)制LTP/LTD過(guò)程。
LTP/LTD是影響突觸可塑性的兩個(gè)過(guò)程，分別導(dǎo)致突觸強(qiáng)度的增強(qiáng)和降低。研究人員將它們浸泡在水中和五種常見(jiàn)的有機(jī)溶劑中超過(guò)12個(gè)小時(shí)，以此測(cè)試它們的突觸。發(fā)現(xiàn)功能有6000個(gè)尖峰，沒(méi)有明顯的退化。研究人員還利用電子突觸開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)備到系統(tǒng)級(jí)的模擬框架，實(shí)現(xiàn)了92.4%的手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別準(zhǔn)確率。該設(shè)備在550納米波長(zhǎng)下顯示出87.5%的良好透明度，在半徑為5mm時(shí)具有靈活性。
模擬典型的突觸可塑性特征，包括EPSC/IPSC、PPF和學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)過(guò)程。此外，即使在水中和有機(jī)溶劑中浸泡超過(guò)12小時(shí)，電子突觸在扁平和彎曲狀態(tài)下也表現(xiàn)出可靠的LTP/LTD行為。這個(gè)復(fù)旦大學(xué)研究小組提出的裝置是第一個(gè)“隱形”防水電子突觸，可以在有機(jī)環(huán)境中可靠地工作，不會(huì)受到任何損傷或損壞。在未來(lái)，它可以幫助開(kāi)發(fā)新的可靠大腦神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)，包括可穿戴和可植入設(shè)備。
參考期刊《Nanoscale Horizons》
DOI: 10.1039/C9NH00341J
博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普
聯(lián)系客服
