最新Science！神经形态工程颠覆性突破，中国团队打造

聚电解质又称高分子电解质。合成或天然水溶性高分子,其结构单元上含有能电离的基团，是固体电解质中的重要类别，具有较好的离子导电能力。聚电解质主要应用于各种电化学过程，以及可用作食品、化妆品、药物和涂料的增稠剂、分散剂、絮凝剂、乳化剂、悬浮稳定剂、胶黏剂、皮革和纺织品的整理剂、土壤改良剂、油井钻探用泥浆稳定剂、纸张增强剂和织物抗静电剂。用人工流体系统再现基于离子通道的神经功能长期以来一直是神经形态计算和生物医学应用的一个理想目标。

为研究该问题，来自中国科学院化学研究所的于萍和毛兰群团队用聚电解质封闭的流体忆阻器（PFM）成功地完成了神经形态功能，其中封闭的聚电解质-离子的相互作用有助于滞后的离子传输，从而产生离子记忆效应。PFM以超低的能量消耗模拟了各种电脉冲模式。PFM的流体特性使其能够模仿化学调节的电脉冲。更重要的是，本研究只用一个PFM就实现了化学-电信号的传导。由于PFM与离子通道的结构相似，因此其具有多功能性，并且很容易与生物系统对接，通过引入丰富的化学设计，为构建具有先进功能的神经形态器件铺平了道路。相关研究以题为“Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor”的研究性文章发表在2023年1月12日的《Science》。

1.创新型研究内容

具有类脑功能的人工系统（即神经形态器件）的研究正在迅速扩大，因为它们在神经形态计算、生物启发的传感运动实现、脑机接口和神经义肢中的应用前景广阔。到目前为止，具有不同模式的神经形态功能已经得到实现，并以各种方式纳入应用，主要是使用依赖历史的固态电阻开关器件，包括两端的忆阻器和三端的晶体管。然而，迄今为止实现的大多数神经形态功能都是基于使用固态器件对电脉冲模式的模拟。对生物突触的模拟（特别是在基于溶液的情况下对化学突触的模拟）对这些固态设备来说仍然是非常具有挑战性的。在这方面，基于流体的忆阻器在在水环境中实现神经形态的功能是非常可取的，因为它与生物系统有很好的兼容性，而且通过引入不同的化学成分，可以赋予神经形态器件更多的功能。

以前的尝试表明，具有先进功能的基于离子的微观或纳米流体装置（例如，离子二极管、离子晶体管或离子开关）可以通过将电解质限制在微观或纳米通道中实现。一些研究表明：这些封闭的系统具有膜电阻和膜电容的特点。此外，通过引入离子液体-电解质界面，在纳米通道中获得了长期可塑性。尽管有这些努力，在水介质中实现神经形态的功能仍然是一个长期的挑战，主要是因为水环境中强大的屏蔽效应大大阻碍了离子间的相互作用，从而限制了基于流体的系统中记忆的形成。2021年，一个里程碑式的理论模型被提出，离子记忆功能可以通过二维极度封闭的通道来完成，这一点已经由同一小组在实验中实现了。

本研究报告了一种聚电解质封闭的流体忆阻器（PFM），它可以成功地完成各种神经形态的功能，不仅可以模仿电脉冲模式，还可以模仿化学-电信号转导。受生物离子通道的启发，本研究设计并制造了一个聚咪唑刷（PimB）封闭的流体通道（图1），该通道通过空间限制和分子识别来控制离子流量，从而发挥天然忆阻器的功能。本研究之所以选择聚咪唑是因为它的高电荷密度、丰富的化学成分和识别不同阴离子的通用能力。通常，PimBs是通过表面引发的原子转移自由基聚合生长在玻璃微管或纳米管的内壁上。通过这种方式，液体被PimBs所限制，在电场或化学品的刺激下，PimBs内外的阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立将是滞后的，从而产生有历史依赖的离子记忆功能。

图1 PFM的电导率变化

该装置由一个PimB封闭的锥形流体通道、一种电解质和两个Ag/AgCl电极构成，以完成电连接。本研究在该装置上施加三角波电压以研究电流-电压（I-V）关系。由于锥形通道的几何不对称性和带正电的PimB的阴离子选择性，用改良的微吸管记录了整流的I-V曲线（图1）。同时，根据Chua的理论，本研究在这个周期性电压下收集的具有非零交叉点电压（Vcp）的拟合I-V曲线满足了历史依赖性的忆阻器的典型性质。这里的偏移（Vcp）源于这种不对称通道的表面电荷的影响，这通常是在生物忆阻器中观察到的，如K+离子通道。相比之下，裸露的微吸管只产生线性欧姆I-V曲线，这证明了PimB在这个夹层滞后环路中的重要作用。本研究还进一步关注了电流对电压扫描频率（即扫描速率，ν）的依赖性。I-V曲线在较低的扫描速率下经历了从滞后和整流形式到较高的扫描速率下的类似线性形式的过渡。滞后环内的面积（S）随着扫描速率的增加而缩小，并在无限的扫描速率下退化为零，正如S-ν关系的拟合所展示的那样。被挤压的滞后环会随着频率的增加而减少的环路面积，以及无限频率下的线性I-V关系满足忆阻器的三个特征。

图2 PFM的STP电脉冲

为了模仿短期可塑性（STP）的电脉冲模式，本研究在PFM上施加了成对的电压脉冲，并按照脉冲刺激记录电流尖峰。如图2所示，两个连续的+2或-2 V的脉冲诱导电流增加（ΔI = 8.9 nA），称为配对脉冲促进（PPF）；或明显的电流下降（ΔI = -48.4 nA），称为配对脉冲抑制（PPD）。这个实验验证了PFM模仿STP电脉冲的能力。在相同的脉冲电压波形下，离子动力学的有限元模拟再现了类似的电流变化趋势，这进一步证明了STP电脉冲源于PFM中随时间变化的离子再分布。施加的电压驱动了PimB层中的离子浓度极化，引起了观察到的电流尖峰。在移除外部电场后（即在脉冲间隔期），由于PimB和阴离子之间的强烈相互作用，PimB层中缓慢的阴离子扩散动力学将短暂地保持离子浓度极化状态。在脉冲间隔期间，滞后的离子再分配继续影响PimB层中阴离子的富集或耗竭。当再次施加电压脉冲时会导致下一个尖峰的电导率（或离子电流）水平上升或下降，从而使PFM能够模仿STP电脉冲。另外，本研究进一步验证了PFM模拟感觉神经元动态滤波功能的能力。通过应用脉冲频率从1到100 Hz的负电压脉冲序列，获得了与频率相关的电导率。电压脉冲序列的频率的微小差异以通过该过滤功能的电导率差异来区分。

图3 化学调节的STP电脉冲

生物的神经元是在一个复杂的化学环境中工作的，其中离子和分子为所有的神经活动奠定了基础。化学环境的变化从根本上促进了神经元的多种行为，包括由N-甲基-d-天门冬氨酸引起的突触扩展和由神经营养素引起的传输增强。通过调整Pim-阴离子的相互作用，本研究用PFM模拟了这种化学调控效应。在不同的电解质溶液（NaCl、NaBF4或NaClO4）中收集的I-V曲线说明了滞后环路面积（S）对阴离子种类的依赖性。然后，研究了不同阴离子对STP的化学调节。与NaCl水溶液中的相比，NaBF4溶液中的PFM表现出更强的PPF和稍微减弱的PPD。这两种效应在NaClO4溶液中都被削弱。此外，tr与化学环境有关，正如不同阴离子种类的双指数动态曲线所显示的。tr的值以tr,ClO-4

图4 PFM的化学电信号转导

对于生物系统来说，化学突触的信号转导是由神经递质的释放和识别介导的（图4）。这样的过程几乎不可能用固态忆阻器来模仿，因为它很难对外部化学刺激作出反应。这种化学-电信号转导可以通过调整PimB封闭通道中多种离子的行为来实现。为了实现这一目标，本研究将一个由微型注射泵控制的毛细管插入到PFM的内部溶液中，作为突触前的神经元来传递化学刺激。在此，ClO4-被选作“人工神经递质”。当化学刺激（ClO4-）被反向注入微管时，可以观察到一个反应性的电脉冲，类似于由神经递质引起的神经尖峰。在负偏压（-1 V）下，由于PimB层的阴离子浓度低，PFM保持在低导电状态，因此可以模拟神经元的静止状态。当ClO4-阴离子从毛细管中释放出来并在电泳和对流的驱动下运输到敏感的尖端区域时，由于Pim和ClO4-之间较强的相互作用而形成的Pim-ClO4-对会降低有效的表面电荷密度，进一步阻碍PimB层中阴离子的耗尽，导致负电压下离子电流的增加。这种现象类似于由神经递质激活的突触后离子通道的开放。然后，电泳和电渗流驱动Cl-离子向尖端移动，随后Pim-ClO4-对的解离使电流恢复到初始状态，因此可以模拟递质的清除。相比之下，在注入相同刺激时间的纯NaCl溶液后，没有发生电流尖峰。这证明了PFM有能力单独完成从某些物质的化学刺激到电脉冲信号的转导。

本研究使用聚电解质封闭的流体结构去实验证明了具有神经形态功能的流体忆阻器，它具有忆阻器的典型特征。在空间限制下，由Pim-阴离子相互作用控制的随时间变化的离子再分配对离子记忆起了作用。所制造的PFM具有模仿STP电脉冲模式的强大能力，其保留时间和能量消耗与生物系统中的离子通道相当。更重要的是，基于流体的离子再分布动力学可以赋予PFMs以固态设备难以实现的神经形态功能的多样性，为神经形态功能引入特定的化学调节途径提供了机会。更令人印象深刻的是，用这种装置可以完成化学-电信号转导的模拟。与基于其他机制的神经形态设备相比，本研究基于流体的设备不仅提供了可与生物系统相媲美的性能，而且还提供了更先进的神经形态功能，特别是与化学有关的功能。尽管所展示的PFM具有一系列的优势，神经形态功能的多样性、多种离子载体的调节和共存的可能性以及与生物系统方便的接口，但是，在实现PFM更广泛的应用方面仍然存在巨大的挑战。例如，实现长期可塑性是基于流体的系统的一个关键目标，引入更强的界面识别相互作用将可能有助于延长离子记忆的时间。用于内存计算的流体忆阻器的扩展是另一个挑战，而多孔的微或纳米流体阵列可能提供一个解决方案。

文章来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150

参考文献：

https://baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E7%94%B5%E8%A7%A3%E8%B4%A8/1182441?fr=aladdin

了解更多

搜索“EngineeringForLife”公众号了解更多内容~