【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】人類(lèi)的學(xué)習(xí)和記憶能力，源于大腦神經(jīng)元之間高度動(dòng)態(tài)的連接結(jié)構(gòu)—— 神經(jīng)突觸。這些比發(fā)絲還細(xì)的結(jié)構(gòu)，像智能開(kāi)關(guān)般傳遞信號(hào)、動(dòng)態(tài)重塑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的編碼、存儲(chǔ)與提取，成為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知與行為適應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)。
 

　　在生物神經(jīng)系統(tǒng)中，突觸作為天然的憶阻器，依賴(lài)于納米通道中離子與神經(jīng)遞質(zhì)的可控傳輸，從而實(shí)現(xiàn)信息處理與存儲(chǔ)。大腦之所以能以極低的能耗完成復(fù)雜計(jì)算，關(guān)鍵在于突觸的可塑性---即其連接強(qiáng)度可根據(jù)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在液相系統(tǒng)中通過(guò)可控制造重現(xiàn)這一效應(yīng)對(duì)于研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，以及推動(dòng)腦機(jī)接口、生物神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的發(fā)展至關(guān)重要。
 

　　中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所團(tuán)隊(duì)與蘭州大學(xué)合作，通過(guò)二價(jià)離子篩選效應(yīng)和pH 驅(qū)動(dòng)的去質(zhì)子化作用兩種不同的刺激機(jī)制——成功證實(shí)了仿生納米通道中的憶阻效應(yīng)，為揭示大腦記憶機(jī)制及發(fā)展新型神經(jīng)形態(tài)計(jì)算提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相關(guān)成果于12月24日發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)基于微束單離子微納加工技術(shù)，制備出仿生納米孔道，在兩種機(jī)制的作用下，納米孔道中的傳輸對(duì)稱(chēng)性破缺與表面效應(yīng)協(xié)同作用導(dǎo)致離子傳輸呈現(xiàn)滯后特性。該納米流體憶阻器還模擬了生物記憶特征，包括短期/長(zhǎng)期增強(qiáng)效應(yīng)以及關(guān)鍵突觸功能，如雙脈沖易化和雙脈沖抑制。
 

　　基于對(duì)納米流體器件中離子電導(dǎo)率的可逆調(diào)控，研究人員實(shí)現(xiàn)了突觸權(quán)重的動(dòng)態(tài)編碼---這正是神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中自適應(yīng)學(xué)習(xí)行為的核心機(jī)制。為驗(yàn)證其應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)利用該器件構(gòu)建了一個(gè)用于模式識(shí)別的三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在小型手寫(xiě)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集(MNIST)上進(jìn)行訓(xùn)練測(cè)試，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到 94.6%，性能可與眾多固態(tài)憶阻突觸相媲美。
 

　　該論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所博士研究生Muhammad Jahangeer，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所杜廣華研究員與蘭州大學(xué)王琦教授。
 

　　該研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金等支持。
 

圖：基于仿生納米孔道制備的納流憶阻器結(jié)構(gòu)以及其突觸功能演示