通過(guò)控制硒化銦晶體的硫化實(shí)現(xiàn)對(duì)功能性突觸的沉默激活

從沉默到功能性突觸的轉(zhuǎn)變伴隨著人類大腦發(fā)育的進(jìn)化過(guò)程，對(duì)于進(jìn)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，但對(duì)于模仿沉默到功能性突觸激活仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在這里，我們開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)控制化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的硒化銦晶體的硫化，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)功能性突觸的沉默激活。

其潛在機(jī)制歸因于硫化引入的硫陰離子的遷移。最重要的發(fā)現(xiàn)之一是功能性突觸行為可以通過(guò)硫化程度和溫度來(lái)調(diào)節(jié)。

此外，在部分硫化的功能性突觸器件中成功實(shí)現(xiàn)了基本的突觸功能包括增強(qiáng)/抑制、雙脈沖易化、脈沖速率依賴可塑性。在層狀硒化物中引入硫陰離子的簡(jiǎn)單方法為實(shí)現(xiàn)沉默突觸的激活開(kāi)辟了一條有效的新途徑，可用于進(jìn)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

除了功能性突觸外，還有另一種類型的突觸，即沉默突觸，它在刺激時(shí)不會(huì)顯示出任何突觸可塑性。

即便如此，沉默突觸在人類的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中起著深遠(yuǎn)的作用。眾所周知，基于生物逼真的突觸可塑性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）已被廣泛用于許多應(yīng)用中。

將ANN和進(jìn)化算法相結(jié)合的進(jìn)化ANN可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的人工智能，這涉及生物系統(tǒng)中沉默到功能突觸的激活。

因此，對(duì)于未來(lái)人類大腦發(fā)育的機(jī)制和進(jìn)化ANN的硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)從沉默突觸到功能性突觸的轉(zhuǎn)變，具有很強(qiáng)的生物學(xué)和實(shí)踐需求。雖然它對(duì)大腦啟發(fā)的計(jì)算至關(guān)重要，但很少有人嘗試模仿沉默突觸的激活。

從材料的角度來(lái)看，模擬沉默突觸活化的最有效方法是改性溝道材料。

圖1 沉默突觸活化的生物學(xué)機(jī)理及其通過(guò)調(diào)節(jié)硫化程度的硬件實(shí)現(xiàn)。

（a）代表性的基于硒化銦器件的示意圖和光學(xué)顯微鏡圖像。比例尺長(zhǎng)度為2μm。

（b）突觸前和突觸后神經(jīng)元之間生物化學(xué)突觸的示意圖，可通過(guò)硬件中基于硒化銦器件實(shí)現(xiàn)。

（c-e）室溫下基于未硫化硒化銦、部分硫化、完全硫化硒化銦器件的五個(gè)連續(xù)循環(huán)的 I–V 曲線。隨著硫化程度的增加，器件逐漸表現(xiàn)出憶阻行為，模仿沉默到功能性突觸的激活。

（f-h）提出的通過(guò)引入硫陰離子從沉默突觸到功能性突觸轉(zhuǎn)變的機(jī)理。

圖2 通過(guò)調(diào)節(jié)溫度激活部分硫化樣品中的沉默突觸。

（a）生物逼真的沉默和功能性突觸示意圖。沉默突觸含有NMDA，但缺乏AMPA受體，這導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗。

（b-d）部分硫化樣品在不同溫度下的連續(xù)循環(huán)的I-V曲線，表明隨著溫度的升高，憶阻行為增強(qiáng)。

（e–g）橫截面、低放大倍率和高分辨率透射電鏡圖像以及部分硫化樣品的相應(yīng)EDS圖譜。

圖3 在高溫下在部分硫化樣品中實(shí)現(xiàn)突觸可塑性。

（a） 用單個(gè)脈沖（50 mV/50 μs）研究刺激性突觸后電流曲線。

（b）相同脈沖序列作用下的電導(dǎo)變化和線性。脈沖幅度、寬度和間隔時(shí)間分別為1 V、0.5 ms和1.0 ms。

（c, d）對(duì)基于In2Se1.4S1.6憶阻器件施加雙脈沖和10個(gè)連續(xù)脈沖（1 V/0.5 ms）得到的雙脈沖易化和強(qiáng)直后增強(qiáng)效應(yīng)。

（e） 通過(guò)施加具有相同幅度（5 V）但頻率不同（10、12、17和200 Hz）的脈沖序列，實(shí)現(xiàn)頻率依賴性增強(qiáng)和抑制行為。

（f）興奮性突觸后電流與具有不同脈沖頻率的脈沖數(shù)的依賴關(guān)系，模仿生物突觸的增強(qiáng)/抑制行為。

圖4 室溫下在完全硫化的樣品中實(shí)現(xiàn)突觸可塑性。

（a）用單個(gè)脈沖（50 mV/0.5 ms）研究刺激性突觸后電流曲線。

（b）相同脈沖序列作用下的電導(dǎo)變化。

（c, d）對(duì)基于完全硫化樣品In2S3憶阻器件施加雙脈沖和10個(gè)連續(xù)脈沖（1 V/0.5 ms）得到的雙脈沖易化和強(qiáng)直后增強(qiáng)效應(yīng)。

文章的研究?jī)?nèi)容主要還是集中在材料和器件性能的表征，包括突觸功能的實(shí)現(xiàn)，比較少關(guān)注到突觸的其他性能，以及突觸器件在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中集成問(wèn)題。

審核編輯：劉清