外國研究團(tuán)隊開發(fā)出一種基于二維材料的新型人工突觸

據(jù)最新一期美國化學(xué)會期刊《應(yīng)用材料與界面》報道，新加坡科技與設(shè)計大學(xué)(SUTD)研究團(tuán)隊開發(fā)出一種基于二維(2D)材料的新型人工突觸，能用于可高度擴(kuò)展的類腦計算。

模仿人腦功能的類腦計算因其在人工智能中的功能應(yīng)用和低能耗而引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。像人腦一樣，為了讓類腦計算發(fā)揮作用，記住兩個神經(jīng)元之間連接的突觸必不可少。

在發(fā)育的大腦中，突觸可以分為功能性突觸和沉默突觸。功能性突觸是活躍的，而沉默突觸在正常條件下是不活躍的。而且，當(dāng)沉默突觸被激活時，它們可幫助優(yōu)化神經(jīng)元之間的連接。由于人腦包含大約一百萬億個突觸，而建立在數(shù)字電路上的人工突觸通常占據(jù)較大的空間，因此在硬件效率和成本方面存在限制，要將其應(yīng)用于智能便攜式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)，需要提高硬件成本。

為了解決這個問題，SUTD研究團(tuán)隊使用2D材料模擬了功能性和沉默突觸的行為。此外，他們還首次證明，這種人工突觸可以同時作為功能性和沉默突觸的相同設(shè)備。

研究人員指出，這項工作可用單個設(shè)備替換基于復(fù)雜數(shù)字電路的功能性和沉默突觸，從而顯著降低硬件成本。“通過使用超薄的2D材料將功能性和沉默突觸集成到同一設(shè)備中，人造突觸的硬件成本將顯著降低，這將推動類腦硬件的商業(yè)化”。

從神經(jīng)生物學(xué)的角度來看，當(dāng)突觸前神經(jīng)元接受持續(xù)刺激時，沉默突觸不會產(chǎn)生興奮行為，因為它們含有N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，但它們?nèi)狈?alpha;-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體。然而，沉默突觸可被激活成為功能性突觸，在連續(xù)刺激后插入AMPA受體時對刺激作出反應(yīng)。

受到插入AMPA受體激活沉默突觸的生物學(xué)機制的啟發(fā)，通過在2D硒化銦材料系統(tǒng)中引入硫陰離子，可實現(xiàn)從沉默突觸到功能性突觸的轉(zhuǎn)變。硒化銦中的硫陰離子可在電場下遷移，并表現(xiàn)出功能性突觸可塑性。該設(shè)備基于完全硫化類型的系統(tǒng)，在室溫下表現(xiàn)出明顯的憶阻行為，可用于實現(xiàn)功能性突觸。沉默突觸的激活可使用部分硫化類型的系統(tǒng)，通過改變溫度來實現(xiàn)。

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