中国科学院毛兰群/于萍最新Science

利用人工流体系统再现基于离子通道的神经功能一直是神经形态计算和生物医学应用的一个理想目标。

2023年1月12日，中国科学院化学研究所毛兰群课题组与于萍课题组合作在Science杂志在线发表题为“Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor”的研究论文，这项研究聚电解质-受限流体忆阻器(polyelectrolyte-confined fluidic memristor，PFM)成功地实现了神经形态功能，其中受限的聚电解质-离子相互作用导致了滞后的离子传输，从而导致了离子记忆效应。采用超低能耗的PFM模拟了各种不同的电脉冲模式。PFM的流体特性使模拟化学调节电脉冲成为可能。更重要的是，化学-电信号转导是由单个PFM实现的。

总之，该研究提出的PFM由于其结构与离子通道相似，PFM是通用的，易于与生物系统接口，为通过引入丰富的化学设计构建具有高级功能的神经形态设备铺平了道路。

具有类脑功能的人工系统(即神经形态设备)的发展正在迅速扩大，因为它们在神经形态计算、生物激发的感觉运动实现、脑机接口和神经义肢方面的应用前景广阔。到目前为止，具有不同模式的神经形态功能已经实现，并以各种方式纳入应用，主要是使用历史依赖的固态电阻切换设备。包括两端忆阻器和三端晶体管。然而，迄今为止实现的大多数神经形态功能都是基于使用固态器件对电脉冲模式的模拟。对生物突触的模拟——特别是在基于溶液的环境中模拟化学突触——使用这些固态设备仍然非常具有挑战性。在这方面，基于流体的忆阻器非常适合在水环境中实现神经形态功能，因为它与生物系统具有优异的兼容性，并且通过引入不同的化学物质赋予神经形态装置更多的功能。

先前的尝试表明，通过将电解质限制在微或纳米通道中，可以实现具有先进功能的离子基微或纳米流控器件[例如，离子二极管，离子晶体管或离子开关]。此外，通过引入离子液体-电解质界面，纳米通道获得了长期塑性。尽管有这些努力，在水介质中实现神经形态功能仍然是一个长期的挑战，主要是因为水环境中的强屏蔽效应极大地阻碍了离子间相互作用，从而限制了基于流体的系统中记忆的形成。在2021年，一个具有里程碑意义的理论模型预测，离子记忆功能可以用二维极限通道来完成，这已由同一小组在实验上实现。

这项研究报道了一种聚电解质受限流体忆阻器(PFM)，它可以成功地实现各种神经形态功能，不仅可以模拟电脉冲模式，还可以模拟化学-电信号转导。生物离子通道通过空间限制和分子识别来控制离子通量，起到天然忆阻器的作用，受其启发，设计并制造了聚咪唑电刷(polyimidazolium brush，PimB) -受限流控通道。

图1. PFM的电导率变化（图源自Science ）

之所以选择聚咪唑，是因为它电荷密度高，化学性质丰富，能够识别不同的阴离子。通常，通过表面引发的原子转移自由基聚合，将PimB生长在玻璃微型或纳米颗粒的内壁上。这样，流体被PimB所限制，在电场或化学物质的刺激下，PimB内外阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立会滞后，导致历史依赖的离子记忆。

图2. PFM的化学-电信号转导（图源自Science ）

总的来说，该研究提出了基于受限聚电解质-离子相互作用的纳米流控离子忆阻器。研究侧重于神经形态工程的不同方面，但都显示了通过纳米级通道对水中离子运输的精确控制。这些研究显示了利用高效流体忆阻器创造神经形态功能的前景方向，可以模仿生物系统的基本原理。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150

转自：“iNature”微信公众号

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