中科院化学所2023年第一篇Science！

SSC 科学百晓生

▲第一作者：Tianyi Xiong

通讯作者：Ping Yu，Lanqun Mao

通讯单位：中国科学院化学研究所

DOI：

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

研究背景

具有类脑功能的人工系统(即神经形态装置)的发展正在迅速扩大，因为它们在神经形态计算、生物启发的感觉运动实现、脑机接口和神经假体中具有广阔的应用前景。到目前为止，已经实现了具有不同模式的神经形态功能，并以不同的方式纳入应用，主要是与历史相关的固态电阻可切换器件，包括双端忆阻器和三端晶体管。然而，到目前为止实现的大多数神经形态功能都是基于使用固态设备模拟电脉冲模式。用人工流体系统复制基于离子通道的神经功能一直是神经形态计算和生物医学应用的理想目标。

研究问题

本研究利用聚电解质受限的流体记忆阻器(PFM)成功地实现了生物神经形态功能，其中受限的聚电解质-离子相互作用有助于滞后的离子传输，从而产生离子记忆效应。本研究用超低能耗的PFM对各种电脉冲模式进行了仿真。PFM的流体特性使其能够模拟化学调节的电脉冲。更重要的是，化学-电信号转导是由单个PFM实现的。由于其结构与离子通道相似，PFM功能多样，很容易与生物系统连接，通过引入丰富的化学设计，为构建具有高级功能的神经形态设备铺平了道路。

▲图1| PFM的电导率变化

要点：

1、本研究报道了一种聚电解质受限的流体记忆阻器(PFM)，它可以成功地完成各种神经形态功能，不仅可以模拟电脉冲模式，还可以模拟化学-电信号转导。受生物离子通道的启发，生物离子通道通过空间限制和分子识别来控制离子流量，从而起到天然忆阻器的作用(图1A)。本研究设计并制造了一种聚咪唑刷(PimB)-受限的流体通道(图1B)，之所以选择聚咪唑是因为它的高电荷密度、丰富的化学成分以及识别不同阴离子的多种能力。通常，通过表面引发的原子转移自由基聚合将PimB生长到玻璃微米或纳米管的内壁上。这样，流体被PIMBS限制，在电场或化学物质的刺激下，PimB内外阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立将是滞后的，导致出现与历史相关的离子记忆效应。

2、该器件由PimB限制的锥形流体通道、电解液和两个Ag/AgCl电极。通过对器件施加三角波电压，研究了器件的电流-电压关系。由于锥形通道的几何不对称性和带正电荷的PimB的阴离子选择性，本研究用改进的微量移液管(图1C，红色)记录了校正的I-V曲线。同时，在具有非零交叉点电压(V_CP)的周期电压下采集的I-V曲线满足根据Chua’s theory (27)的历史依赖的忆阻器特性。该偏移量(V_CP)源于该非对称沟道中的表面电荷的影响，这通常是生物忆阻器观察到的。相比之下，裸露的微量移液管只产生线性欧姆I-V曲线(图1C，蓝色)，证明了PimB在这个受挤压的滞后回路中的重要作用。

3、本研究还进一步研究了电流对电压扫描频率(即扫描速率，ν)的依赖关系。在较低的扫描速率下，I-V曲线经历了从滞后和整流形式到较高扫描速率下的线状形式的转变(图1D)。如S-ν关系(图1E)的拟合所示，滞后环内的面积(S)随着扫描速度的增加而缩小，并在无限扫描速度下退化到零。磁滞回线的夹持、环路面积随频率的增加而减小，以及无限频率下的线性I-V关系满足忆阻器的三个指纹。

▲图2| PFM的STP电脉冲

要点：

1、为了模拟短期可塑性(STP)电脉冲模式，本研究向PFM施加成对的电压脉冲，并根据脉冲刺激记录电流尖峰。如图2所示，两个+2或−2 V的连续脉冲引起电流增加(ΔI=8.9 nA)，称为配对脉冲促进(PPF；图2A)，或显著电流下降(ΔI =−48.4 nA)。这整个过程命名为成对脉冲抑制(PPD；图2B)，从而验证了脉冲调频模拟STP型电脉冲的能力。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(图2C)，进一步证明STP电脉冲来自于PFM中随时间变化的离子再分布。施加的电压驱动PimB层中的离子浓度极化，从而引起观察到的电流尖峰。

2、然后计算了PFM的保留时间（t_r），定义为ΔI降至其最大值的5%的脉冲间隔（ΔI_Δt=tr=5%ΔI_Δt=0）。对于一定的电压脉冲刺激（例如，V = ±2 V，t_p = 10 ms），在10 mM NaCl水溶液中计算t_r为~500 ms（图2D）。PFM的这些值与生物系统中STP的值相当，其中突触权重的促进和抑制发生在102 ms的范围内。

3、本研究进一步验证了PFM在感觉神经元中模拟动态过滤功能的能力。通过施加脉冲频率从1到100赫兹的负电压脉冲序列(V=−2V，t_p=5ms；图2E)，获得了随频率变化的电导率(图2F)。电压脉冲串的频率的微小差异(例如：19、20或21赫兹)可以通过该滤波函数的电导率差异来区分。

▲图3|化学调节的STP电脉冲

要点：

1、神经元在复杂的化学环境中工作，其中离子和分子为所有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N-甲基-d-天冬氨酸诱导的突触伸缩和神经营养因子诱导的增强传递。通过调节Pim-阴离子相互作用，本研究用PFM模拟了这种化学调制效应。在不同电解质溶液(NaCl、NaBF₄或NaClO₄)中收集的I-V曲线表明了滞后环面积与阴离子种类的关系(图3A)。

2、然后，研究了不同阴离子(V=±2V，Δt=t_p=10ms)对STP的化学调节作用。与在氯化钠水溶液中相比(图3B和C，红色)，在NaBF₄溶液中的PFM表现出更强的PPF和略微衰减的PPD (图3B和C，蓝色)。这两种影响都在NaClO₄溶液中减弱(图3B和C，黄色)。

3、此外，t_r与化学环境有关，如不同阴离子物质的双指数动态曲线所揭示的(图3d)。PFM的STP性能可以通过离子强度来调节。在正或负电压脉冲刺激下，高浓度电解液加速STP(较低的t_r)的消失(图3E)。

▲图4| PFM的化学电信号转导

要点：

1、对于生物系统，化学突触的信号转导是通过神经递质的释放和识别来调节的 (图4A)。固态忆阻器几乎不可能模仿这样的过程，因为固态忆阻器几乎不会对外部化学刺激做出反应。然而，对于具有容易适应的配置的基于流体的设备，这种化学-电信号转导可以通过调节PimB受限通道中的多离子物质的行为来实现。

2、为了实现这一目标，本研究在PFM的内液中插入了一根由微注射泵控制的毛细血管，作为传递化学刺激的突触前神经元。在这里，ClO₄⁻被选为一种“人工神经递质”用于演示(图4A，上图)。当化学刺激(ClO₄⁻)被反向注射到微管中时，观察到一个响应的电脉冲(图4B)，类似于由神经递质诱导的神经棘波。在负偏压(−1 V)下，由于PimB层中的负离子浓度较低，PFM保持在低导电态，模拟神经元的休眠状态。当ClO₄⁻阴离子在电泳法和对流作用下从毛细管中释放出来并传输到敏感针尖区域时，由于Pim和ClO₄⁻之间的相互作用较强而形成的Pim- ClO₄⁻对会降低有效表面电荷密度，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大。

结语

本研究利用聚电解质受限的流体结构实验地展示了一种具有神经形态功能的流体记忆阻器，它具有记忆阻器的典型指纹。在空间受限条件下，由Pim-阴离子相互作用控制的随时间变化的离子再分布有助于离子记忆。制备的PFM具有强大的模拟STP电脉冲模式的能力，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配动力学可以赋予PFM神经形态功能的多功能性，这是传统固态设备难以实现的。本研究的结果为将特定的化学调节途径引入神经形态功能提供了机会。更令人印象深刻的是，利用该装置可以完成化学-电信号转导的仿真。与基于其他机制的神经形态装置相比，本研究的基于流体的装置不仅具有与生物系统相当的性能，而且具有更高级的神经形态功能，特别是与化学相关的功能。

原文链接：

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