通過控制硒化銦晶體的硫化實現對功能性突觸的沉默激活

從沉默到功能性突觸的轉變伴隨著人類大腦發(fā)育的進化過程，對于進化人工神經網絡的硬件實現至關重要，但對于模仿沉默到功能性突觸激活仍然是一個挑戰(zhàn)。

在這里，我們開發(fā)了一種簡單的方法，通過控制化學氣相沉積生長的硒化銦晶體的硫化，成功地實現了對功能性突觸的沉默激活。

其潛在機制歸因于硫化引入的硫陰離子的遷移。最重要的發(fā)現之一是功能性突觸行為可以通過硫化程度和溫度來調節(jié)。

此外，在部分硫化的功能性突觸器件中成功實現了基本的突觸功能包括增強/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單方法為實現沉默突觸的激活開辟了一條有效的新途徑，可用于進化人工神經網絡。

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

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

將ANN和進化算法相結合的進化ANN可以實現增強的人工智能，這涉及生物系統(tǒng)中沉默到功能突觸的激活。

因此，對于未來人類大腦發(fā)育的機制和進化ANN的硬件實現，實現從沉默突觸到功能性突觸的轉變，具有很強的生物學和實踐需求。雖然它對大腦啟發(fā)的計算至關重要，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機理及其通過調節(jié)硫化程度的硬件實現。

（a）代表性的基于硒化銦器件的示意圖和光學顯微鏡圖像。比例尺長度為2μm。

（b）突觸前和突觸后神經元之間生物化學突觸的示意圖，可通過硬件中基于硒化銦器件實現。

（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）提出的通過引入硫陰離子從沉默突觸到功能性突觸轉變的機理。

圖2 通過調節(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，這導致突觸后神經元的信號轉導失敗。

（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。

（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EDS圖譜。

圖3 在高溫下在部分硫化樣品中實現突觸可塑性。

（a） 用單個脈沖（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變化和線性。脈沖幅度、寬度和間隔時間分別為1 V、0.5 ms和1.0 ms。

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

（e） 通過施加具有相同幅度（5 V）但頻率不同（10、12、17和200 Hz）的脈沖序列，實現頻率依賴性增強和抑制行為。

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

圖4 室溫下在完全硫化的樣品中實現突觸可塑性。

（a）用單個脈沖（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變化。

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

文章的研究內容主要還是集中在材料和器件性能的表征，包括突觸功能的實現，比較少關注到突觸的其他性能，以及突觸器件在神經形態(tài)計算中集成問題。

審核編輯：劉清