Advanced Materials:p–i–n结突触晶体管模拟不同神经递质的选择性释放实现突触器件对环境应激性行为的控制

近年来受生物启发的神经元系统因被应用人工智能领域而受到广泛关注,作为神经元的重要连接部分,人工突触接收、处理、传递来自人类感知系统中的信号,从而模拟生物功能。随着电子领域的超高速发展,人们逐渐发现了具备低功耗、纳米级尺寸、易于大规模集成以及具有可塑性的电子器件在模拟大脑神经网络功能方面的潜力。研究人员开始竞相研发新型的人工突触器件,来突破神经形态芯片模拟人脑智能这一发展过程中的各种瓶颈。但却对人脑中复杂的神经性行为没有过多的模拟研究突破。

因此,南开大学徐文涛教授课题组以突触器件为基础,在能耗,器件尺寸以及可塑性等方面进行了深入的研究并取得了重大突破。该课题组近期在《Advanced Materials》上发表题为“Selective Release of Different Neurotransmitters Emulated by a p–i–n Junction Synaptic Transistor for Environment-Responsive Action Control”的文章,基于p-i-n结晶体管模拟了一系列复杂的神经性行为。此研究采用了n型TiO2薄膜、PMMA介电层以及在最上层的P3HT/PEO纳米线(p–i–n JST)结构,研究了其形成重构性的内部机理并开发了此重构性在模拟不同类型的味觉受体神经元对不同浓度盐的反应方面的应用。并实现了其在多层神经网络(CNN)分辨手写识别输入(MNIST)方面以及双向驱动外部制动器方面的应用。(DOI: 10.1002/adma.202007350)

随着脉冲间隔Δt从50毫秒增加到500毫秒,两个连续性兴奋性突出后电流(EPSC,(A2)和(A1))的振幅之比即PPF指数(图b)逐渐减小。但当脉冲电压达到-4和-4.5 V时,PPF指数低于100%,该响应与先前的机制一致。并以此模拟味觉感受器神经元(GRN)如何差异性地表达对低盐的吸引和对高盐的厌恶:新发现的离子型谷氨酸受体(IR)家族的成员-IR76b,可检测低盐。该研究假设一个模型(图c),其中S型和L型感官中GRN之间的竞争解释了对盐的双向行为响应。在低盐浓度下,低盐GRN占主导地位,从而使动物渴望食盐。在高盐含量下,高盐GRN淹没了低盐GRN,因此动物拒绝盐分。 p–i–n JST模拟了这种行为: P3HT NW和TiO2 TF代表高盐GRN和低盐GRN。在协同效应下,p–i–n JST对低盐表现出吸引力,对高盐表现出厌恶情绪。以p–i–n JST的增强-抑制信号为基础,通过建立的多层神经网络实现了对MNIST图像的准确学习识别,准确率达到90%。并且其环境稳定也得到充分证实。随后的外界制动器也可以通过双向增强性质实现双向弯曲。