Advanced Functional Materials:大脑模拟仿生—基于化学交联的羊毛角蛋白基人工神经突触

人类的大脑是大自然进化出的最精妙的结构,其拥有数万亿个神经突触,这些神经突触具有很强的可塑性,可以随着时间的变化自我调整,变得更强或更弱,使大脑具备高度发达的并行计算能力,可以高效低能耗的实现自我学习、记忆与遗忘、图像识别等,这种突触可塑性,直接关联了神经元间信息的传递和存储,被认为是大脑学习能力的重要基础。随着人工智能,大数据时代的到来,数据计算复杂度以及能耗的迅速增加,传统数据处理与存储分离结构的冯诺伊曼体系计算机遭遇空前挑战,如何让电脑像人类的大脑一样学习和记忆是一个令科研人员望而却步的挑战,但如果大脑科学同计算机科学能够更加紧密的结合起来,势必爆发出强大的冲击力,推动人工智能的快速发展。

在当前人工突触模拟的研究领域中,阻变存储器因其电阻可用类似于神经元电信号的电压脉冲来调整,来模拟突触间隙神经递质释放过程,同时该电子元件具备高密度存储、高密度集成,快速读写以及低能耗等优势,而被视为构建神经突触模拟器件的优先选择,为实现基于人工神经网络的深度学习提供了一条全新的道路。近年来多种材料被研究用于阻变存储器基人工突触的制备,例如二维材料,金属氧化物,钙钛矿及高分子类材料等。在众多材料选项中,蛋白质材料由于其天然的生物相容/可降解特性,及价格低廉易制备等特性,在制备人工突触器件方面具有巨大的优势。但被应用到电子器件领域的蛋白质材料也面临自身结构不稳定,电学性能较差等不利因素,比如目前所报道的蛋白质基电子器件往往忽略了蛋白质材料极易水解这个现象,这也为相关器件后续的可植入研究蒙上了阴影。

在优化蛋白质基器件性能方面,刘向阳教授与闫小兵教授团队已通过一系列研究证实蛋白质结构改造策略可实现了蛋白质类器件的性能提升(文献链接small,AFM )。为改良蛋白质基器件的抗水性和柔韧性,本次该团队继续利用蛋白质结构改造策略,共同开发了一种基于化学交联的新型柔性蛋白质基人工突触电子器件。通过化学修饰羊毛角蛋白,在紫外曝光条件下,实现角蛋白分子间的化学键合交联,促使角蛋白由极易水溶特性转变为水不溶特性。该交联蛋白器件展示出良好的电阻转变效应,使得该器件能顺利实现多种生物突触行为的模拟,如双脉冲易化、短时程可塑性到长时程可塑性的转变以及增强作用/抑制的类人脑行为。更特别的,该器件可实现长时间水浸泡后依然保持稳定的阻变性能,且交联蛋白的机械稳定性也使得突触器件表现出卓越的柔韧性能,其器件有效弯曲半径可达1.2 mm。仿真结果表明,用该器件制作的忆阻器网络具有较高的记忆学习准确率(≈95.8%)和模式学习能力。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202002882)上。

该工作首次将交联蛋白质应用到神经突触器件的构筑中,并展示出不俗性能,说明通过蛋白质自身结构改造,可实现相应电学性能的显著提升。这种化学交联处理方法也具备一定普适性,可在改善其它天然蛋白质材料的电学性能方面得到广泛的研究与应用,有望推动蛋白质基人工突触的快速发展。