複旦大學新成果：用於有機環境中，模式識別的人工神經突觸

科學家利用人工智能(AI)系統試圖複製在自然界中觀察到的生物機制和行為，這方面的一個關鍵例子是電子突觸(e-synapses, e-synapses)，它試圖複製神經細胞之間的連接，使電或化學信號能夠傳輸到人體的目標細胞，即突觸。在過去的幾年裡，研究人員使用單一的物理設備模擬了多功能突觸功能。這些設備很快就能在機器上實現高級學習和記憶功能，模擬人腦的功能。新研究提出了用於模式識別的靈活、透明甚至生物兼容的電子設備。

這可能為新一代可穿戴和可植入突觸系統鋪平道路，然而，這些“隱形”的電子突觸也有一個明顯的缺點：它們很容易溶解在水中或有機溶液中，這對於可穿戴應用來說遠非理想。為了克服這一限制，上海複旦大學研究人員已經著手開發一種新的穩定、靈活和防水的突觸，適合在有機環境中應用。在英國皇家化學學會《Nanoscale Horizons》上發表這項研究中，複旦大學的科學家們概述了其研究成果。

提出了一種新的，完全透明的電子設備，可以模擬基本的突觸行為。如配對脈衝促進(PPF)、長期增強/抑製(LTP/LTD)和學習-遺忘-再學習過程。在目前的工作中，首次展示了一種基於全透明電子設備的穩定防水人工突觸，適用於有機環境中的穿戴應用。研究人員研製的這種柔性全透明防水裝置，在可見光範圍內的透光率約為87.5%，取得了顯著的效果。它還能夠在彎曲狀態下可靠地複製LTP/LTD過程。

LTP/LTD是影響突觸可塑性的兩個過程，分別導致突觸強度的增強和降低。研究人員將它們浸泡在水中和五種常見的有機溶劑中超過12個小時，以此測試它們的突觸。發現功能有6000個尖峰，沒有明顯的退化。研究人員還利用電子突觸開發了一個設備到系統級的模擬框架，實現了92.4%的手寫數字識別準確率。該設備在550納米波長下顯示出87.5%的良好透明度，在半徑為5mm時具有靈活性。

模擬典型的突觸可塑性特徵，包括EPSC/IPSC、PPF和學習-遺忘-再學習過程。此外，即使在水中和有機溶劑中浸泡超過12小時，電子突觸在扁平和彎曲狀態下也表現出可靠的LTP/LTD行為。這個複旦大學研究小組提出的裝置是第一個“隱形”防水電子突觸，可以在有機環境中可靠地工作，不會受到任何損傷或損壞。在未來，它可以幫助開發新的可靠大腦神經形態系統，包括可穿戴和可植入設備。

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參考期刊《Nanoscale Horizons》

DOI: 10.1039/C9NH00341J

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